Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
15
Державний вищий навчальний заклад
«Донецький національний технічний університет»
КАШАЄВ ВІТАЛІЙ ВАЛЕРІЙОВИЧ
УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ ПРОКАТКИ КАТАНКИ, ЯКІ ЗАБЕЗПЕЧУЮТЬ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ, ТОЧНІСТЬ І РОЗШИРЕННЯ МАРОЧНОГО СОРТАМЕНТУ ПРОКАТУ
Спеціальність
.03.05 - процеси та машини обробки тиском
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецк – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Державному вищому навчальному
закладі «Донецький національний технічний університет»
Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Мінаєв Олександр Анатолійович,
Державний вищий навчальний
заклад «Донецький національний
технічний університет», (м. Донецьк)
завідувач кафедри «Обробка металів
тиском».
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Сатонін Олександр Володимирович,
Донбаська державна машинобудівна
академія, (м. Краматорськ), професор
кафедри «Автоматизовані металургійні
машини і обладнання»;
кандидат технічних наук
Шум Валентин Борисович,
ВАТ «Донецький металургійний завод»,
(м. Донецьк), головний калібрувальник
заводу.
Захист відбудеться «24» квітня 2008 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, І навч. корпус, малий актовий зал.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ІІ навч. корпус.
Автореферат розісланий «20» березня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
Д 11.052.01, д.т.н., проф. О.В. Яковченко
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Світова практика виробництва катанки і сортового прокату свідчить, що швидкі темпи вдосконалення технології і змінні умови ринку роблять неконкурентоспроможною продукцію навіть тих дрібносортно-дротових станів, які пущені в останнє десятиліття, але не відповідають зростаючим вимогам до якості продукції. Актуальними і такими, що мають важливе наукове і практичне значення для виробників катанки в Україні, є завдання енергозбереження за рахунок ефективності деформації і підвищення стабільності розмірів і властивостей по довжині бунта, що забезпечують технологічність переробки.
Сучасні високошвидкісні дротові стани є самими енерговитратними прокатними агрегатами з питомою витратою електроенергії, що досягає 200 кВт-год/т. Дослідження проведені співробітниками ІЧМ НАН України і ВАТ КГМК «Криворіжсталь» показали, що зниження енерговитрат за рахунок пониження температури нагріву заготовок економічно не завжди виправдано внаслідок зростання енерговитрат на деформацію, збільшення зносу валків і привалкової арматури. Отже, залишається можливість економії енергії, яка витрачається на формозміну металу в калібрах під час прокатки. Закордонний досвід пропонує це робити шляхом зменшення площі поперечного перерізу заготовки, при збереженні її маси, за рахунок збільшення довжини до 22 метрів. Дійсно це раціональний шлях економії на прокатних станах, які знов вводяться в експлуатацію, але дорогий варіант для модернізації існуючих.
Слід врахувати, що для українських виробників катанки зниження собівартості не є єдиним актуальним завданням. Висока обривність вітчизняної катанки при її переробці на заводах металовиробів має якнайгірші показники не тільки серед європейських країн-виробників, але і в СНД. Тому завдання підвищення конкурентоспроможності катанки вимагає комплексного і системного підходу при вирішенні шляхом підвищення енергоефективності прокатки, стабілізації якості металу по довжині бунтів і розширення марочного сортаменту.
Попит споживачів викликає еволюцію металургійної продукції у бік подальшого її вдосконалення і, насамперед, розширення сортаменту високоякісних сталей з метою максимального задоволення потреби і успішної конкуренції з іншими матеріалами, що свідчить про актуальність завдання освоєння широкого марочного сортаменту сучасними високошвидкісними дротовими станами.
У зв'язку з викладеним вище, питання підвищення якості катанки і енергетичної ефективності формозміни в калібрах, а також оптимізації температурно-швидкісних і деформаційних режимів прокатки високоякісної сталі є завданнями актуальними і такими, що мають важливе наукове і практичне значення.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проведені відповідно до планів науково-дослідницьких робіт Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет». Основою для підготовки дисертації є держбюджетні роботи, виконані за участю здобувача як виконавця на кафедрі «Обробка металів тиском» за темою «Узагальнення і подальший розвиток теоретичних основ ресурсозберігаючих технологій виробництва листового і сортового прокату та залізничних коліс» (№№ держреєстрації: 0103U008069, 0103U002203).
Мета і завдання дослідження. Освоїти енерго- і ресурсозберігаючу технологію прокатки катанки стабільної точності і розширеного марочного сортаменту на основі удосконалення методу розрахунку витяжних калібрів шляхом розробки і обліку критерію енергетичної ефективності формозміни металу в калібрах і критеріїв оптимальності температурно-швидкісних режимів.
Для досягнення вказаної мети були поставлені наступні завдання:
Об'єкт дослідження. Процес прокатки катанки на дротових станах, оснащених стандартними чистовими блоками.
Предмет дослідження. Критерій енергетичної ефективності формозміни металу в системах витяжних калібрів дротових станів, методи калібрування валків і вдосконалення технології прокатки катанки з високоякісних марок сталей.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконані на основі аналітичних методів математичного аналізу і основних положень теорії обробки металів тиском і пластичності. Використані методи штрафних функцій і статистичної обробки даних з використанням ЕОМ. Експериментальні дослідження виконані на основі методів тензометрії і планіметрії.
Наукова новизна отриманих результатів.
1.Вперше отримано два вирази критерію енергетичної ефективності формозміни металу під час прокатки у витяжних калібрах, які дорівнюються відношенню роботи пластичної деформації металу, витраченої на подовження смуги, до сумарної роботи, витраченої на подовження і розширення смуги. Вказані критерії розроблені у двох видах: залежно від коефіцієнтів обтиску і подовження і залежно від зміщених площ по висоті і ширині поперечного перерізу смуги, що задається в калібр, що розширює можливості аналізу течії металу.
2. Вперше експериментально отримана залежність між критерієм енергетичної ефективності fл формозміни металу під час прокатки у різних системах витяжних калібрів і питомою роботою деформації. Встановлено, що величина зниження питомої роботи деформації при зміні критерію f у межах 0,2 ≤ f ≤ 0,5 в два рази вища, ніж у межах 0,5 ≤ fл ≤ 1.
. Отримала подальший розвиток математична модель процесу двониткової прокатки катанки, що включає формули для розрахунку відхилень розмірів готового прокату від заданих, які дозволяють врахувати вплив температур кожної з одночасно прокатуваних ниток.
Практичне значення отриманих результатів. Реалізація результатів роботи дозволила упровадити на стані 150 ЗАТ «ММЗ» менш енерговитратні універсальні системи витяжних калібрів, у тому числі і комбіновані з протяжкою, стабілізувати температурно-швидкісні режими, що дозволило за рахунок скорочення браку на 23%, питомої витрати валків на 0,07 кг/т, простоїв стана на 10 час/міс. і збільшення виходу першого сорту катанки на 630 т/міс. отримати фактичний економічний ефект 883687,5 грн (частка здобувача 249457 грн). Освоєно виробництво продукції з високоякісних, легованих сталей марок 07Г1НМА, ШХ15, 30ХГСА, 08ХМ.
Особистий внесок здобувача. Основні ідеї роботи, а також методики теоретичних і експериментальних досліджень належать авторові. Результати досліджень отримані спільно з працівниками Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет», ЗАТ «ММЗ» і опубліковані із співавторами. Конкретний особистий внесок здобувача в цих роботах представлений у вигляді анотації після вказівки їх номерів в списку опублікованих робіт за темою дисертації.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати дисертації обговорювалися на Всеукраїнській науково-технічній конференції «Перспективні технології і устаткування обробки тиском в металургії і машинобудуванні» м. Краматорськ 22-24 квітня 2000р., 2003р., 2004р., на першому Науково –практичному семінарі «Метизна промисловість ХХI століття: проблеми і перспективи» м. Харцизьк 18-20 вересня 2001р., на об'єднаному науковому семінарі кафедри «Обробка металів тиском» Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» 2007г.
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 1 статті наукового журналу і в 10 статтях збірників наукових праць, причому 10 з них опубліковані в фахових наукових виданнях, включених до переліку ВАК України.
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел (94 найменування) і 8 додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи: 223 сторінки, загальний обсяг 149 сторінок. У розділах дисертаційної роботи 52 рисунки (у тому числі 18 на окремих сторінках) і 31 таблиця (у томі числі 16 на окремих сторінках).
Основний зміст роботи
Аналіз сучасного стану виробництва катанки в Україні свідчить про низьку конкурентоспроможність продукції. Це обумовлено найвищою обривністю на тонну продукції металовиробів серед постачальників катанки як далекого, так і ближнього зарубіжжя. Іншим важливим показником, що негативно впливає на ліквідність катанки, є висока питома енерговитратність і собівартість.
Аналіз сучасних методів калібрування валків сортових і дротових станів показав, що раціональність і оптимальність систем калібрів визначається критеріями і обмеженнями, яким вони задовольняють. Нажаль, навіть автори сучасних методів розрахунку систем калібрів сортових профілів скаржаться на відсутність математичного опису критеріїв якості, зручності монтажу калібрів на валках і ін. До вищеперерахованого переліку слід також додати відсутність критерію ефективності роботи формозміни під час прокатки у витяжних системах калібрів, що не дозволяє вирішувати завдання енергоефективності прокатки. Відсутність критеріїв оптимізації температурно-швидкісних режимів прокатки високолегованих сталей, з вузьким інтервалом температур пластичності, також не сприяє вирішенню завдань з розробки універсальних систем калібрів для прокатки сталей широкого марочного сортаменту на дротових станах. Важливим принципом універсальності калібрування повинен стати облік в розрахунках впливу хімічного складу сталі на розширення.
Відповідно до виконаного аналізу сформульовані мета дисертаційної роботи і завдання дослідження, приведені в загальній характеристиці роботи. Відповідно до них доцільне проведення досліджень: теоретичне і експериментальне обгрунтування критерію енергетичної ефективності формозміни металу в системах витяжних калібрів; розробка критеріїв оптимізації температурно-швидкісних режимів прокатки широкого марочного сортаменту сталей стабільної якості по довжині бунтів. Результатом системного підходу до вирішення завдань повинна стати технологія, що забезпечує високу конкурентоспроможність катанки.
Другий розділ «Об'єкти і методики дослідження» містить опис методик лабораторного і промислового дослідження процесу прокатки сортового металу в традиційних витяжних калібрах і калібрах нової конструкції.
Третій розділ «Теоретичні і експериментальні дослідження формозміни металу у витяжних калібрах дротових станів». Отримана аналітична залежність для коефіцієнта корисної дії (к.к.д.) формозміни і досліджена залежність між питомою роботою деформації і к.к.д. деформації (формозміни) як для традиційних систем калібрів, так і для нового комбінованого способу прокатки і волочіння.
В рамках даної роботи мова йде про роботу деформації і її к.к.д., а також показники, що характеризують її ефективність. Межею економічності процесу прокатки, згідно визначення проф. З. Вусатовського, прийнято вважати, коли коефіцієнт розширення дорівнює коефіцієнту подовження . Враховуючи, що прокатка катанки і сорту здійснюється на межі економічності, а також те, що більше 50% роботи прокатки складає робота формозміни, то і інтерес до ії к.к.д. очевидний. При рішенні завдання використовували аналітичний метод, що спирається на закон постійності об'єму.
У цьому плані найбільший інтерес представляє відома формула С.Фінка, що дозволяє визначити роботу деформації або формозміни за двома напрямками. Робота, витрачена на витягання і розширення, дорівнює:
, (1)
де рcp –середній нормальний тиск;
- коефіцієнт обтиску;
- коефіцієнт розширення;
- коефіцієнт подовження (витягання);
V –об'єм металу.
К.к.д. деформації дорівнюватиме відношенню корисної роботи деформації, витраченої на витягання, до повної роботи, втраченої на витягання і розширення:
. (2)
Отриманий вираз буде справедливий для процесу поздовжньої прокатки простих профілів і особливо ефективний при визначенні коефіцієнтів 1/ і для витяжних калібрів за допомогою номограм Смирнова В.К., Шилова В.О. (рис. 1).
Рис. 1. Номограма для визначення коефіцієнта обтиску 1/1 і коефіцієнта витягання л1 під час прокатки за схемою плоский овал-круг з розрахунковими межами ефективності прокатки за формулою (2)
Аналізуючи отриману формулу (2) к.к.д. формозміни під час прокатки в простих калібрах, в граничних випадках спостерігатимемо наступне:
якщо (розширення відсутнє), тоді , а з ф → 1;
якщо (витягання відсутнє), тоді , а .
Якщо у виразі (2) загальний об'єм металу V не піддавати скороченню, а залишити зрештою, то отримаємо:
, (3)
де знаменник є не що інше, як зміщений об'єм, обумовлений висотною деформацією, а чисельник - зміщений об'єм у поздовжньому напрямі.
На підставі приведених міркувань можливо перейти до об'ємної деформації і оцінювати формозміну на прикладі витяжної системи калібрів круг-овал (рис.2) за коефіцієнтом ефективності формозміни
, (4)
де , - об'єм металу зміщеного по висоті і в поздовжньому напрямі відповідно. Величину визначаємо як
. (5)
Рис. 2. Співвідношення зміщених площ по висоті ∆Sн і ширині ∆Sв поперечного перерізу розкату у системі калібрів овал-круг
Відповідно об'єм металу, який визначає розширення, виразимо:
; (6)
. (7)
Підставляючи вирази (5) і (7) у формулу (4), отримаємо залежність для коефіцієнта ефективності формозміни в наступному вигляді:
; (8)
. (9)
У граничних випадках спостерігатимемо наступне:
- якщо S 0, тоді f → 1 (немає розширення);
- якщо S Sн ,тоді ѓ → 0 (немає витягання).
Відповідно до викладеної методики проведена експериментальна прокатка різних форм підкату в круглому калібрі. Прокатку здійснювали при застопорених неприводних елементах калібру щодо центральної частини, що відповідало традиційному процесу поздовжньої прокатки. При вільному положенні елементів процес прокатки в круглому калібрі поєднується з волочінням (протяжкою).
Одночасно з прокаткою сталевих зразків реєструвалася і потужність прокатки. Площі оброблених темплетів переносилися на рисунок калібру і їх елементи вимірювали планіметром. Результати визначення коефіцієнта ефективності формозміни систем калібрів наведені в таблиці.
Порівняння величини для процесу («прокатка-волочіння»), коли елементи круглого калібру вільно обертаються, з традиційним свідчить про вищу ефективність формозміни при комбінованому процесі в різних системах калібрів.
Теорія протяжки металу в роликових волоках підтверджує факт високого витягання і малого розширення, що свідчить про високий коефіцієнт корисної дії деформації.
Результати дослідження містять вимірювання сил прокатки, моментів, швидкості, площ і витягання зразків при традиційному процесі прокатки і при його комбінації з процесом волочіння в неприводних елементах круглого калібру з використанням процесу прокатки-волочіння в клітях 150 ЗАТ «ММЗ» (рис. 3).
Для зіставлення і аналізу енергосилових параметрів, отриманих в експерименті, представлені графічні залежності (рис. 4).
З наведених діаграм робіт деформації можна зробити висновок, що повні і питомі величини їх добре корелюють для трьох систем калібрів з величинами , наведеними в таблиці.
Взаємозв'язок коефіцієнта формозміни з роботою деформації представлений на рис. 5. Цей графік містить результати дослідження як традиційного, так і нового процесу. З цієї графічної залежності виходить дуже важливий висновок про те, що збільшення ефективності витяжних систем калібрів веде не тільки до зниження числа пропусків, але і до зниження питомої витрати роботи (енергії) на деформацію.
Розроблена інженерна методика оцінки к.к.д. деформації дозволяє отримати критерії енергетичної ефективності процесів прокатки і критерій ѓл, більш зручніший при графічному аналізі систем витяжних калібрів.
Таблиця
Коефіцієнти ефективності формозміни ѓл для систем витяжних калібрів при традиційному і комбінованому процесах деформації
Система калібрів |
||
Прокатка |
Прокатка-волочіння |
|
|
Овал-круг |
,3…0,5 |
,6…0,7 |
|
плоский овал-круг |
,65…0,7 |
,75…0,8 |
|
Круг-гладка Бочка |
,3…0,4 |
,5…0,6 |
Рис. 3. Конструктивна реалізація способу прокатки з протяжкою:
–привідна частина; 2 –деформуємий метал; 3 - непривідні елементи; 4 –опорні підшипники непривідних елементів
У свою чергу, розроблений метод визначення к.к.д. деформації дозволить оцінити існуючий арсенал типових систем калібрів різних профілів, з погляду енергозбереження, і отримати ряд альтернативних варіантів з перевагою в енергозбереженні. Не менш важливим етапом використання розробленого методу є стадія проектування калібрування валків, вибору ефективних схем деформації і їх оптимізації за критерієм к.к.д.
Результати розрахунку к.к.д. формозміни в калібрах стана 150 ЗАТ «ММЗ», а також енергосилових параметрів прокатки, дозволили перевірити нову формулу для розрахунку необхідного числа проходів залежно від к.к.д. () формозміни, отриману в наступному вигляді:
, (10)
тоді сумарна робота деформації може бути представлена виразом:
(11)
Рис. 4. Залежність повної роботи деформації Aw і її питомої величини аw від способу прокатки і системи калібрів:
1 –овал-круг; 2 –плоский овал-круг; 3 –круг-гладка бочка; - Аw; - aw
Рис. 5. Залежність між питомою роботою деформації аw і відповідним коефіцієнтом ефективності формозміни
Попередні розрахунки, засновані на експериментальному визначенні енерговитрат під час прокатки окремих профілів, показують, що реальна економія електроенергії може досягати 18 –% тільки від зміни однієї системи калібрів на іншу.
Особливу актуальність питання енергозбереження представляють як на існуючих, так і тих що знову вводяться до ладу високошвидкісних сортових і дротових станах.
Четвертий розділ «Експериментальні дослідження процесу прокатки на дротовому стані 150» містить методику експериментального дослідження впливу параметрів прокатки на стабільність розмірів по довжині бунту і результати промислових експериментів.
Експериментальне дослідження впливу температури нагріву заготовок для лівої і правої ниток стана 150 проводилося на готовій продукції. Застосування методу планування експерименту дозволило істотно скоротити число дослідів і отримати математичну модель досліджуваного процесу, що визначає зв'язок горизонтального діаметру профілю з температурою заготовок лівої і правої ниток.
Кореляційний аналіз результатів експерименту дозволяє зробити висновок про те, що поява натягання приховує дійсну картину впливу температурного режиму на розміри профілю. В той же час аналіз, проведений за наслідками вимірювань параметрів прокатки відповідних кінців ниток, показав тісний зв'язок, тобто відображає більш дійсну картину взаємодії цих параметрів.
Таким чином, разом з пружною віддачею валків при зміні числа прокатуваних ниток температурні перепади в нагріві заготовок роблять істотний вплив на нестабільність розмірів продукції багатониткових дротових станів.
Стабільність розмірів по довжині бунту канатної катанки необхідна для зниження її обривності при волочінні. Цей показник при двонитковій прокатці на стані 150 гірше за зарубіжні показники в 4-5 разів, що неприпустимо, оскільки саме для канатної катанки передові технології передбачають 35-40% ступінь деформації в перших фільєрах волочильних станів.
Як показують дослідження, оптимізація швидкісного режиму при відхиленні температури смуги від заданої дозволяє знизити коливання міжклітьових сил і величини розширення в групах клітей дротових станів з індивідуальним приводом.
Промислові дослідження нових калібрів, що поєднують прокатку з протяжкою, характеризують ефективність стабілізації ширини розкату неприводними елементами калібра.
Статистичні моделі зносу калібрів і розроблений алгоритм корекції міжвалкових зазорів дозволили автоматизувати процес стабілізації розмірів катанки на стані 150. Дослідження точності розмірів катанки, визначуваних радіальною жорсткістю клітей, показали, що їх коливання укладаються в полі плюсового допуску. Це свідчить про достатню жорсткість клітей стана 150.
У п'ятому розділі «Оптимізація режимів роботи неперервних дротових станів» розроблений метод оптимізації режиму прокатки в неперервних групах клітей сортових станів. Визначені критерії оптимальності, вид цільової функції і зроблені висновки щодо класу завдання і доцільності його вирішення методом штрафних функцій. Вид цільової функції і обмежень дозволяє зробити висновок, що поставлене завдання відноситься до класу завдань лінійного програмування. Рішення даної задачі дозволяє визначити оптимальні значення дій на кліть, що керують та забезпечують отримання мінімальної площі поперечного перерізу прокату в межах допусків ДСТУ і обмежень на дії, що управляють.
Розроблений метод оптимізації температурно-швидкісних і деформаційних режимів прокатки високоякісних сталей.
Рішення задачі виконані для стадії проектування калібрування валків, а також при настроюванні стана на швидкісний режим, що забезпечує необхідні умови прокатки даної марки сталі.
Розроблені режими прокатки високоякісних марок сталей в дротових блоках з урахуванням температурних, деформаційних особливостей і залишкового зміцнення. Запропонована нова методика ладнання швидкісних режимів неперервних груп клітей при індивідуальному і груповому приводах, що дозволило скоротити час на ладнання після перевалок і ремонтів на 30%.
Зроблена спроба дати математичний вираз основним показникам, що характеризують раціональність і економічність схеми калібрування.
Для вирішення поставленого завдання за допомогою ЕОМ була складена і відладжена програма розрахунку ефективності систем калібрів на алгоритмічній мові програмування Visual Basic 6.0.
Вихідний документ після обчислення формує результати розрахунку в наступному порядку: показник раціональності загальної схеми калібрування дротяного стана, універсальність загальної схеми калібрування, продуктивність стана, показник якості прокату і ефективність формозміни.
Шостий розділ «Вдосконалення технології виробництва катанки з неперервнолитих заготовок високоякісної сталі на стані 150 ЗАТ «ММЗ» містить результати з вдосконалення технології прокатки на сучасному високошвидкісному дротовому стані 150 ЗАТ «ММЗ» неперервнолитих заготовок високоякісних сталей.
В даний час відомо декілька методів розрахунку витяжних калібрів, які призначені для вуглецевих марок сталей, а також що враховують впливи хімічного складу сталі на розширення. Останній чинник надає істотний вплив на розміри калібрів і режим обтискань, тому були отримані розрахункові залежності для ширини і висоти овальних калібрів, що враховують за допомогою коефіцієнтів вплив хімічного складу сталі на розширення, а також особливості неперервнолитої структури.
Результати дослідження коефіцієнтів формозміни для різних форм витяжних калібрів і їх взаємозв'язку з енергоспоживанням дозволяють віддати перевагу плоскому овалу в системі витяжних калібрів овал-ребровий овал. Ця система калібрів зазвичай використовується в проміжних групах клітей дротових станів. Плоский овал забезпечує більше співвідношення між поздовжнім і поперечним перебігом металу, а отже забезпечує велику витяжну здатність і к.к.д. формозміни. Іншою позитивною стороною такої заміни калібрів є марочна універсальність калібрування і велика стабільність ширинних розмірів, а отже і площі перерізу підкату, що задається до блоку. Відомо, що від стабільності площі підкату залежить і стабільність розмірів катанки.
Для прокатки катанки з вуглецевих і високолегованих сталей за кордоном використовують чистові блоки типу спеціальні - 1 і для важкодеформуємих сталей і сплавів - спеціальні - 2. Під час прокатки таких марок сталей опір деформації в п'ять і більше разів перевищує опір деформації вуглецевої сталі, а відповідно перевищує за витратами і енергії на деформацію.
Використання неперервнолитих заготовок безпосередньо на дрібносортових або дротових станах є ефективним шляхом зниження собівартості кінцевої продукції.
Відомо, що витрата енергії на 1 т. заготовки, отриманою методом неперервного литва, в 4-5 разів менша, ніж звичайним розливанням у виливниці.
Враховуючи те, що в Україні експлуатуються чистові блоки стандартного типу, розраховані на прокатку вуглецевих і низьколегованих сталей, необхідно додатково провести перевірний розрахунок енергосилових параметрів з урахуванням неповного зникнення нагартованості металу і допустимих швидкісних режимів для різних груп марок сталі.
Для визначення енергосилових параметрів весь сортамент сталі умовно можна розділити на три групи: 1)неміцні, 2)міцні і 3)високоміцні. Типовими представниками в першій групі обрана сталь 45, в другій групі 1Х18Н9Т, а в третій Р18.
При визначенні енергосилових параметрів як типові прийняті режими обтискань кругів 5,5 і 6 мм у зв'язку з тим, що вони охоплюють весь сортамент катанки. Оскільки друга група сталей є найбільш чисельною, то вона прийнята за основу при визначенні потужності прокатки при заданій швидкості прокатки 45 м/с. Швидкісний режим першої і третьої груп сталей визначається виходячи із знайденої потужності другої групи сталей і, у свою чергу, склав відповідно для першої групи 75 м/с і 25 м/с для третьої групи сталей.
Всі розрахунки проведені з урахуванням неповного зняття нагартування металу в проміжках клітей блоку. В перших трьох проходах вплив спадкового зміцнення на силу прокатки відсутній, а в подальших проходах досягає 12%. Максимальні сили і момент прокатки діють під час прокатки третьої групи і мінімальні під час прокатки першої групи сталей. При визначенні ступеня і швидкості деформації враховувалася сила натягнення розката, яка набувала значень в межах від 1,5 кН до 10,4 кН. Зниження сили прокатки від дії натягнення в клітях 2-9 досягає 20%, а в клітях 1 і 10 до 5% оскільки прикладено до одного кінця смуги.
Таким чином, залежно від хімічного складу сталі, швидкості прокатки і температури, сили прокатки в перших клітях блоку рівні 50270 кН, а в останніх 29196 кН. У свою чергу, моменти прокатки в перших клітях складають 1,46,2 кНм, а в останніх 0,52ч3,4 кНм.
Потужність прокатки для всіх груп сталей в кожному з розрахункових варіантів не перевищила 3800 кВт, при встановленій 5000 кВт.
Розрахований режим прокатки різних груп марок сталей є основою при складанні технологічної карти прокатки сталей марок шх15, 07Г1НМА, 30ХГСА, 08ХМ.
висновки
У дисертаційній роботі отримано нове рішення актуальної науково-технічної задачі освоєння енерго- і ресурсозберігаючої технології прокатки катанки стабільної точності і розширеного марочного сортаменту на основі удосконалення методу розрахунку витяжних калібрів шляхом розробки і обліку критерію енергетичної ефективності формозміни металу у калібрах і критеріїв оптимальності температурно-швидкісних режимів.
Основні наукові положення і практичні результати полягають в наступному.
1. Аналіз сучасного стану теорії і практики виробництва катанки показав, що для досягнення конкурентоспроможності катанка повинна мати прийнятну собівартість і якість, що неможливо без підвищення ефективності формозміни у витяжних калібрах з метою зниження енергоспоживання, а також без стабілізації розмірів по довжині мотків для зниження обривності при переробці. Актуальними є також завдання розширення марочного сортаменту катанки –надійного джерела прибутку.
2. Аналітичним методом отримано два вирази критерію енергетичної ефективності формозміни металу під час прокатки у витяжних калібрах, які дорівнюють відношенню роботи пластичної деформації металу, витраченої на подовження смуги, до сумарної роботи, витраченої на подовження і розширення смуги. Розроблені вказані критерії в двох видах: залежно від коефіцієнтів обтиску і подовження і залежно від зміщених площ по висоті і ширині поперечного перерізу смуги, що задається в калібр, який розширює можливості аналізу перебігу металу.
3. Встановлена експериментально залежність між критерієм енергетичної ефективності fл формозміни металу під час прокатки у різних системах витяжних калібрів і питомою роботою деформації. Встановлено, що величина зниження питомої роботи деформації при зміні критерію f у межах 0,2 f 0,5 в два рази вища, ніж у межах 0,5 f 1.
4. Отримала подальший розвиток математична модель процесу двониткової прокатки катанки, що включає формули для розрахунку відхилень розмірів готового прокату від заданих, які дозволяють врахувати вплив температур кожної з одночасно прокатуваних ниток. Дослідження впливу числа одночасно прокатуваних ниток показало, що перехід з двох на однониткову прокатку без коректування швидкісного режиму викликає натягнення і зменшення ширини готового профілю. Зміна горизонтального і вертикального діаметрів по довжині катанки при правильному ладнанні стана складає відповідно 0,15–,2 і 0,35–,45 мм. Пониження температури нагріву заготовок по контрольованій нитці приводить до збільшення ширини чистового круглого профілю, що прокатується по цій же нитці. Так, пониження температури заготовки на 1200 С збільшує струмове навантаження двигуна на 45% і розширення смуги на 0,15–,3 мм. Встановлено, що пониження температури нагріву по суміжній нитці супроводжується зменшенням горизонтального розміру круглого профілю, що прокатується по контрольованій нитці. В цьому випадку вплив зміни температурного режиму суміжної нитки на розміри профілю по контрольованій здійснюється через зміну режиму натягнень і шляхом впливу суміжних прокатних ниток одна на одну.
5. Промислові випробування нового, комбінованого валкового інструменту, що поєднує прокатку і волочіння, показали, що витрата твердосплавних дисків на стані 150 може бути понижена за рахунок використання нового способу прокатки, що забезпечує можливість застосування традиційних матеріалів, чавуну і сталі, для калібрів проміжних груп клітей. Запропонована статистична модель зносу калібрів, що дозволяє своєчасно проводити корекцію міжвалкових зазорів за розробленим алгоритмом.
6. Проведений аналіз систем калібрів, що діють, на стані 150 і 350-2 ЗАТ «ММЗ», з використанням розроблених показників енергетичної ефективності формозміни, і розроблені рекомендації щодо заміни овалів однорадіусних на плоскі. Результатом з'явилося освоєння калібрів з ефективною формозміною, що на 15% перевершують колишні показники.
7. Розроблений метод оптимізації режиму прокатки у неперервних групах клітей сортових станів. Визначені критерії оптимальності, вигляд цільової функції і зроблені висновки щодо класу завдання і доцільності його вирішення методом штрафних функцій. Вид цільової функції і обмежень дозволяє зробити висновок про те, що поставлене завдання відноситься до класу завдань лінійного програмування. Рішення даної задачі дозволяє визначити оптимальні значення керуючих дій на кліть, які забезпечують отримання мінімальної площі перерізу прокату в межах допусків ДСТУ і обмежень на дії, які управляють.
8. Розроблені режими прокатки високоякісних марок сталей в дротових блоках з урахуванням температурних, деформаційних особливостей і залишкового зміцнення. Запропонована нова методика налаштування швидкісних режимів безперервних груп клітей при індивідуальному і груповому приводах, що дозволило скоротити час на налаштування після перевалок і ремонтів на 30%.
9. З використанням отриманих результатів була досягнута мета і вирішені практичні завдання, що дозволяють:
10. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, представлені в дисертаційній роботі, повністю відповідають меті і завданням, які поставлені в роботі. Реалізація результатів роботи дозволила упровадити на стані 150 ЗАТ «ммЗ» менш енерговитратні системи калібрів, у тому числі і комбіновані з волочінням, стабілізувати швидкісні і температурно-деформаційні режими, що дозволило, за рахунок скорочень витрати валків і збільшення виходу першого сорту, отримати фактичний річний економічний ефект 883687,5 грн (частка здобувача 249457 грн).
Список опублікованих робіт за темою дисертації
Особистий внесок здобувача в опублікованих роботах:
1 - промислові випробування нового комбінованого способу прокатки і встановлення відповідності теоретичних положень і параметрів процесу вимогам стійкої експлуатації;
2 - аналіз раціональних шляхів підвищення ефективності роботи дрібносортно-дротових станів;
5 - визначені залежності подовження і моменту прокатки від обтискання для традиційної прокатки і у поєднанні з протяжкою;
6 - розроблені рекомендації з використання переваг комбінованого процесу прокатки і волочіння по енерго- і ресурсосбереженню, а також підвищенню точності прокату;
8 - розроблена математична модель процесу двониткової прокатки катанки, що дозволяє врахувати вплив температури кожної з одночасно прокатуваних ниток на розміри готового прокату;
9 - запропоновані нові критерії і методика розрахунку витяжних калібрів і їх раціональна форма для різних груп марок сталей;
10 - аналітичним шляхом отриманий математичний вираз, що дозволяє визначити коефіцієнт ефективності формозміни у витяжних калібрах і встановити взаємозв'язок з питомою роботою деформації.
АНОТАЦІЯ
В.В. Кашаєв «Удосконалення технологічних режимів прокатки катанки, які забезпечують енергоефективність, точність і розширення марочного сортаменту прокату». –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. –Процеси та машини обробки тиском. –Державний вищий навчальний заклад “Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2008.
У роботі отримані нові аналітичні залежності для критерія ефективної формозміни. Встановлені залежність між питомою роботою деформації і коефіцієнтом ефективної формозміни як для традиційних систем калібрів, так і нового комбінованого способу прокатки і волочіння.
У дисертації вирішене актуальне науково-технічне завдання запровадити енерго- і ресурсозберігаючу технологію прокатки катанки стабільної точності і розширеного марочного сортаменту на підставі удосконалення методу розрахунку витяжних калібрів шляхом розробки і урахування критеріїв енергетичної ефективності формозміни метала у калібрах і критеріїв оптимальності температурно-швидкісних режимів.
Отримано експериментальні дані про характер впливу температури на геометрію прокату і розроблено алгоритм корекції впливів на готовий профіль. З урахуванням особливостей прокатки високоякісних, легованих сталей і сплавів розроблена методика корекції калібрувань валків дротового стану 150 ЗАТ «ммЗ». За результатами впровадження удосконаленої технології прокатки, калібрування валків і якості катанки на стані 150 ЗАТ «ммЗ» отримано фактичний економічний ефект 883687,5 грн. (частка здобувача 249457 грн.).
Ключові слова: дротові стани, точність, ефективна формозміна, енергоефективність, оптимальні режими, високоякісні сталі.
Аннотация
В.В. Кашаев «Совершенствование технологических режимов прокатки катанки, обеспечивающих энергоэффективность, точность и расширение марочного сортамента проката». –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. –Процессы и машины обработки давлением. –Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2008.
Диссертация посвящена решению актуальной задачи освоения конкурентоспособной продукции на существующем оборудовании. В работе получены аналитические зависимости для коэффициента эффективности формоизменения. Установлена зависимость между удельной работой деформации и коэффициентом эффективности формоизменения как для традиционных систем калибров, так и нового комбинированного способа прокатки и волочения.
Аналитическим методом получены два выражения критерия энергетической эффективности формоизменения металла при прокатке в вытяжных калибрах, которые равны отношению работы пластической деформации металла, затраченной на удлинение полосы, к суммарной работе, затраченной на удлинение и уширение полосы. Разработаны указанные критерии в двух видах: в зависимости от коэффициентов обжатия и удлинения и в зависимости от смещенных площадей по высоте и ширине поперечного сечения полосы, задаваемой в калибр, что расширяет возможности анализа течения металла.
Выполнена математическая формализация рациональности технологического процесса прокатки. Получено математическое выражение для основных показателей, характеризующих рациональность и экономичность схемы калибровки.
Определены характер и степень влияния двухниточной прокатки на стабильность поперечных размеров по длине раската и разработаны рекомендации по снижению влияния поперечного числа ниток на точность продукции.
Разработан метод оптимизации режима прокатки в непрерывных группах клетей сортовых станов. Определен критерий оптимизации, вид целевой функции и сделаны выводы относительно класса задачи и целесообразности ее решения методом штрафных функций, а также отлажена программа.
С учетом особенностей прокатки легированных сталей и сплавов разработана методика коррекции калибровок проволочного стана 150 ЗАО «ммЗ». Прошел промышленную апробацию новый инструмент для прокатки и волочения в калибрах простой формы и исследованы его износостойкость и эффективность формоизменения. Применение плоских овалов вместо однорадиусных обеспечивает как выравнивание вытяжек, а, следовательно, и нагрузок между клетями, так и большую износостойкость калибров по сравнению с другими системами.
Показано, что повышение средней величины к.п.д. деформации по стану за счет системы калибров с эффективностью , позволяет понизить удельный расход энергии с 143 кВтч/т до 128 кВтч/т и получить экономию 3,3 грн/т.
Установлено, что снижение силы прокатки от действия натяжения в клетях 2-9 достигает 20%, а в клетях 1 и 10 до 5%, поскольку приложено к одному концу полосы.
Проверка ограничений по моментам и мощности электродвигателей привода валков показала, что в зависимости от химического состава стали, скорости прокатки и температуры, силы прокатки в первых клетях блока равны 50 – 270 кН, а в последних 29 –кН и, соответственно, моменты прокатки в первых клетях составляют 1,4 –,2 кНм, а в последних 0,52 –,4 кНм. Мощность потребления для прокатки всех групп сталей в каждом из расчетных вариантов не превысила 3800 кВт при установленной 5000 кВт.
Сравнительный анализ результатов расчета расхода энергии на прокатку, по усовершенствованной формуле, показал, что она позволяет с отклонением 5-7% от показаний счетчиков электроэнергии определить суммарную работу прокатки по суммарной вытяжке, средней величине к.п.д. формоизменения и контактных сил.
Расчетами подтверждено, что повышение эффективности формоизменения в вытяжных калибрах путем целенаправленного изменения их параметров экономически более эффективно, чем уменьшение сечения заготовки и увеличение ее длины. Увеличение длины заготовки потребует значительных капитальных затрат на реконструкцию нагревательных печей.
Промышленные испытания нового, комбинированного валкового инструмента, сочетающего прокатку и волочение, показали, что расход твердосплавных дисков на стане 150 может быть снижен за счет использования нового способа прокатки, обеспечивающего возможность применения традиционных материалов, чугуна и стали, для калибров промежуточных групп клетей. Предложена статистическая модель износа калибров, позволяющая своевременно производить коррекцию межвалковых зазоров по разработанному алгоритму.
Рассчитаны режимы прокатки различных групп марок сталей, являющиеся основой при составлении технологической карты прокатки, что позволило освоить прокатку на стане 150 таких марок сталей как ШХ15, 07Г1НМА, 30ХГСА, 08ХМ.
В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи освоения энерго- и ресурсосберегающей технологии прокатки катанки стабильной точности и расширенного марочного сортамента на основе усовершенствования метода расчета вытяжных калибров путем разработки и учета критерия энергетической эффективности формоизменения металла в калибрах и критериев оптимальности температурно-скоростных режимов.
Внедрение оптимальных скоростных режимов, усовершенствованной системы калибров, температурно-деформационных режимов для сталей обыкновенного качества и высококачественных сталей позволило увеличить количество катанки первого сорта, снизить простои стана 150 ЗАО «ммЗ» и удельный расход валков, повысить коэффициенты полезного действия формоизменения в вытяжных системах калибров.
Реализация разработок на стане 150 ЗАО «ммЗ» согласно расчетам обеспечила фактический экономический эффект 883687,5 грн. (доля соискателя 249457 грн.).
Ключевые слова: проволочные станы, точность, эффективное формоизменение, энергоэффективность, оптимальные режимы, высококачественные стали.
abstract
V.V. Kashaev «Perfection of technological conditions of rod rolling, providing energy efficiency, accuracy and expansion of a branded assortment of rolling». The manuscript.
The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.03.05 - Processes and machines of processing by pressure. - The state higher educational institution «Donetsk national technical university», Donetsk, 2008.
The dissertation is devoted to the decision of an actual problem of development of competitive production on the existing equipment.
The new decision of an actual scientific and technical problem of development energy- and resourcesaving technologies rod rolling with stable accuracy and the expanded branded assortment on the basis of improvement of the method of calculation of outtake calibres by development and the account of criterion of energy efficiency of metal forming in calibres and criteria of an optimality of temperature-speed conditions has been received in dissertational work.
Introduction of the optimum high-speed conditions, the advanced system of calibres, temperature-deformation modes for ordinary quality steels and high-quality steels has allowed to increase quantity of the first grade rod, to lower idle times of mill of 150 Joint-Stock Companies "ММW" and the specific charge of rolls, to increase forming efficiency in outtake systems of calibres.
Realization of development on mill of 150 Joint-Stock Companies "ММW" according to calculations has provided actual economic benefit 883687,5 hrn (a share of the competitor 249457 hrn).
Keywords: wire mills, accuracy, effective forming, energy efficiency, optimum modes, high-quality steels.