Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

Автореферат

дисертації на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук

Підвищення якості та розширення сортаменту товстолистового металопрокату на основі удосконалення технології та обладнання для його гарячої правки

Шестопалов Андрій Володимирович

Спеціальність 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском"

Краматорськ , 2007

Анотація

Шестопалов А.В. Підвищення якості та розширення сортаменту товстолистового металопрокату на основі удосконалення технології та обладнання для його гарячої правки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2007.

Дисертація присвячена розвитку методів автоматизованого розрахунку й проектування, а також розробці рекомендацій з удосконалення технологій та устаткування процесів гарячого правлення товстолистових металовиробів.

У роботі розроблено одномірні математичні моделі напружено-деформованого стану при реалізації процесів гарячого правлення товстих листів з урахуванням реальної форми деформованої пружної лінії листа залежно від настроювання роликів листоправильної машини. Одержали розвиток чисельні моделі процесу правлення товстих листів на основі методу кінцевих елементів.

Достовірність отриманих теоретичних рішень підтверджена експериментально.

Сформульовано та вирішено завдання з автоматизованого проектування та удосконалення технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів механічного обладнання листоправильних машин, розроблені практичні рекомендації, спрямовані на розширення сортаменту, підвищення якості та зниження собівартості листів, що виправляються.

Ключові слова: товстолистовий металопрокат, гаряче правлення, напружено-деформований стан, математичне моделювання, сортамент, якість, рекомендації з удосконалення.

Аннотация

Шестопалов А.В. Повышение качества и расширение сортамента толстолистового металлопроката на основе усовершенствования технологии и оборудование для его горячей правки. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 “Процессы и машины обработки давлением”. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2007.

Диссертация посвящена расширению сортамента и повышению качества продукции толстолистовых прокатных станов на основе развития методов автоматизированного расчета и проектирования, а также разработки рекомендаций по совершенствованию технологий и оборудования процессов горячей правки толстолистовых металлоизделий.

Существующие в настоящее время методики расчета процессов правки на многороликовых правильных машинах исходят из предположения об известной величине соотношения прогиба листа на рабочих роликах к предельно упругому, что не позволяет определить реальную форму нейтральной линии и такой показатель качества, как продольная кривизна, а также обеспечить корректный учет технологической настройки роликов правильной машины.

В работе на основе численных итерационных решений системы уравнений условий непрерывности упругой линии выправляемого листа разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния металла и основных показателей качества готовой продукции при реализации процессов горячей правки толстых листов, в которых корректно учтена реальная форма деформированной средней линии листа в зависимости от настройки роликов правильной машины, распределение остаточных напряжений и ряд других показателей.

Получили развитие численные модели процесса правки толстых листов основанные на использовании метода конечных элементов. Сопоставление результатов моделирования интегральных характеристик напряженно-деформированного состояния металла по одномерной математической модели и на основе метода конечных элементов свидетельствует о достаточной степени адекватности разработанных моделей процесса правки толстых листов.

Достоверность полученных теоретических решений подтверждена экспериментально как в лабораторных условиях на специально созданной установке, так и в промышленных условиях на действующем оборудовании металлургических предприятий Украины и России. При этом результаты экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных условиях позволили сформулировать и уточнить исходные предпосылки для автоматизированного проектирования технологических режимов процессов правки на многороликовых машинах. В то же время в рамках промышленных экспериментальных исследований наряду с основными энергосиловыми параметрами оценку адекватности полученных программных средств производили и по степени эффективности предлагаемых технологических настроек.

На основе созданных математических моделей разработаны практические рекомендации по усовершенствованию, а также сформулированы и решены задачи по автоматизированному проектированию соответствующих технологических процессов и оборудования .

Результаты работы в виде программных средств, технологических и конструктивных рекомендаций использованы на АО “Новокраматорский машиностроительный завод”, АО “Алчевский металлургический комбинат”, в Украинском научно-исследовательском институте металлургического машиностроения (УкрНИИметаллургмаш) и в Донбасской государственной машиностроительной академии.

Ключевые слова: толстолистовой металлопрокат, горячая правка, напряженно-деформированное состояние, математическое моделирование, сортамент, качество, рекомендации по усовершенствованию.

Анотація

Shestopalov A.V. Increasing quality and expansion range of thick plates on base of the improvement to technologies and equipment for its hot leveling. - Manuscript.

Dissertation for a Candidate's degree in Engineering, speciality 05.03.05. - Processes and Machines of plastic working - Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk, 2007.

The dissertation is dedicated to development of the methods of the automatic calculation and designing, as well as development recommendation on improvement technology and equipping the processes of the thick sheets hot leveling.

In work is designed univariate mathematical models tense-deformed conditions at realization of the processes of the hot reading thick sheet.

Have got the development to numerical models of the process of the reading thick sheet on base of the method final element.

Validity got theoretical decisions is confirmed experimental.

On base created mathematical models is designed practical recommendations on improvement, as well as are worded and are solved software problem on computer aided design corresponding to technological processes and equipment.

Keywords: thick plate, plate leveling, stress-strain state, mathematical modeling, range, quality, recommendations on improvement.

1. Загальна характеристика роботи

Сучасний розвиток чорної металургії, машинобудування, нафто- і газодобувних, а також цілого ряду інших галузей промисловості - споживачів товстолистового металопрокату - потребує розширення його сортаменту, підвищення якості і збільшення обсягів виробництва. Це обумовлює необхідність подальшого розвитку технологій і обладнання для обробки товстих листів, що використовуються у цьому випадку, у тому числі і для їхньої гарячої правки.

Актуальність теми. Зростаючі вимоги до номенклатури і якості готової продукції товстолистових прокатних станів (ТЛС), у склад яких входять і машини для гарячого правлення, роблять необхідним їхнє подальше удосконалення, яке можливе, насамперед, на основі розробки науково обґрунтованих рекомендацій стосовно технологій і устаткування, а також розвитку методик автоматизованого розрахунку і проектування останніх. Доцільність реалізації даних заходів підтверджена також наявністю морально і фізично застарілого обладнання для правки й обробки товстих листів, яке не здатне забезпечити відповідної якості готової металопродукції, зокрема, площинності готового прокату. Необхідним у цьому випадку є і забезпечення максимальної економії матеріальних ресурсів при створенні нового та модернізації діючого устаткування, що обумовлено дефіцитом оборотних коштів на металургійних і машинобудівних підприємствах.

Відзначене свідчить про доцільність проведення широкого кола всебічних теоретичних і експериментальних досліджень процесу правлення товстих листів, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників конкретних промислових виробництв. При цьому як пріоритетні напрямки даного розвитку слід вказати на розширення обсягів і підвищення ступеня вірогідності інформації, що надається, за рахунок кількісної оцінки локальних характеристик напружено-деформованого стану, прогнозування основних показників якості, уточнення вихідних передумов і використання досить строгих чисельних методів рішення.

Зазначене вище у своїй сукупності вимагає підвищення ступеня наукової обґрунтованості прийнятих у кожному конкретному випадку технічних рішень, що і визначає актуальність, а також практичну спрямованість теми даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямку “Створення нових і удосконалення діючих технологій, устаткування і засобів автоматизації в прокатному виробництві” та планам держбюджетних науково-дослідних робіт Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (накази № 756 від 7.11.2003, роботи 01U001747, 0105U002444, 0104U004039), а також у рамках госпдоговірних науково-дослідних робіт із АТ Новокраматорський машинобудівний завод (АТ “НКМЗ”, м. Краматорськ) та ДП “Український науково-дослідний інститут металургійного машинобудування” (УкрНДІметалургмаш, м. Слов'янськ).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розширення сортаменту, підвищення якості і забезпечення економії матеріальних ресурсів при виробництві товстих листів на основі розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробки практичних рекомендацій з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного устаткування процесів правки на багатороликових правильних машинах.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні основні задачі:

· уточнити і розширити математичні моделі напружено - деформованого стану при гарячому правленні товстих листів;

· розробити математичні моделі з прогнозування точності геометричних характеристик листового металопрокату при гарячому правленні товстих листів;

· дати експериментальну оцінку ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень і уточнити вихідні передумови, необхідні для їхньої чисельної реалізації;

· проаналізувати характер впливу вихідних параметрів і розробити практичні рекомендації, спрямовані на удосконалення технологій і устаткування для гарячого правлення товстих листів;

· сформулювати критерії, розробити практичні рекомендації і програмні засоби з автоматизованого проектування технологічних режимів настроювання устаткування для гарячого правлення товстих листів.

Об'єкт дослідження. Технології й обладнання процесів гарячого правлення товстих листів.

Предмет дослідження. Основні закономірності і методики розрахунку механізмів формування напружено-деформованого стану і основних показників якості товстих листів при їхньому гарячому правленні.

Методи досліджень. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пружності та пластичності, що включають методи чисельних ітераційних рішень одномірного рішення умов безперервності геометричних параметрів пружної лінії листів, що піддаються правленню. Аналіз ступеня можливостей використання одномірної математичної моделі виконаний на основі методу кінцевих елементів з використанням програмного пакета ABAQUS. Постановка і рішення задач з автоматизованого проектування були виконані з застосуванням елементів теорії дослідження операцій.

Експериментальні методи досліджень містили в собі методи тензометрії, виміру геометричних параметрів і механічних властивостей, а також експертну оцінку якості і споживчих властивостей при фізичному моделюванні процесів гарячого правлення товстих листів на різному, у тому числі і на створеному в рамках даної роботи, устаткуванні. Промислові експерименти були проведені на устаткуванні провідних металургійних підприємств України і Росії.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають наступні її основні результати і положення:

· вперше розроблена одномірна математична модель процесу правлення товстих листів багаторазовим згином, яка дозволяє прогнозувати основні показники якості готового металопрокату з урахуванням технологічних настроювань роликів правильної машини;

· на основі методу кінцевих елементів одержала розвиток математична модель, що забезпечує коректне урахування реальних розподілів геометричних і кінематичних параметрів процесу правлення, а також умов зовнішнього тертя і механічних властивостей матеріалу, що дозволяє використовувати її в якості критеріальної для перевірки результатів автоматизованого розрахунку і проектуванні технологій і устаткування процесів гарячого правлення товстих листів;

· вперше встановлений зв'язок основних параметрів технологічних настроювань листоправильної машини з енергосиловими параметрами процесу правлення, а також показниками якості готової металопродукції;

· поставлено і вирішено задачі з автоматизованого розрахунку і проектування технологій і обладнання процесів гарячого правлення товстих листів.

Практична цінність отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи представляють наступні її основні результати і положення:

· розроблено пакет прикладних програм для ПЕОМ, що забезпечує зниження матеріальних витрат і трудомісткості проектування технологічних процесів правки багаторазовим знакозмінним вигином;

· розроблено науково обґрунтовані рекомендації з проектування технологічних настроювань, вибору складу і конструктивних параметрів механічного устаткування для реалізації процесів гарячого правлення товстих листів.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмних засобів, технічних рішень і практичних рекомендацій використані на АТ НКМЗ, АТ “Алчевський металургійний комбінат” (м. Алчевськ), ДП УкрНДІметалургмаш.

Окремі положення дисертації використовуються на кафедрі “Автоматизовані металургійні машини й устаткування” Донбаської державної машинобудівної академії (кафедра АММ ДДМА) в лекційних курсах ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні науково-дослідних робіт, курсових і дипломних проектів студентами і магістрами спеціальності 8.090218 “Металургійне устаткування”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно провів теоретичні дослідження, розробив математичне, алгоритмічне і програмне забезпечення з автоматизованого розрахунку і проектування процесів гарячого правлення товстих листів, виконав аналіз результатів чисельної реалізації і сформулював практичні рекомендації. Взяв участь у створенні нової установки експериментальної листоправильної машини 100/110х5 і проведенні експериментальних досліджень різних технологічних схем процесів гарячого правлення товстих листів. Узагальнив результати теоретичних і експериментальних досліджень, взяв участь у їхньому впровадженні. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить аналіз особливостей конструкцій устаткування для гарячого правлення, розробка математичних моделей, їхнє програмування, чисельна реалізація й аналіз одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2003); на трьох Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Перспективні технології й устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (м. Краматорськ, 2002, 2005, 2006); на міжнародній науково-технічній конференції “Нові наукомісткі технології, устаткування й оснащення для обробки металів тиском” (м. Краматорськ, 2004), на міжнародній науково-технічній конференції “Перспективи розвитку гірничо-металургійного комплексу” (м. Краматорськ, 2004), на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (1999-2004), на міжнародній науково-технічній конференції, присвяченої 50-ти річчю ЛДТУ “Прогресивні технології й устаткування в машинобудуванні і металургії” (м. Липецьк, 2006), на III міжнародної конференції молодих вчених і фахівців “Металургія XXI століття” (м. Москва, 2007), на науково-технічних радах АТ НКМЗ і УкрНДІметалургмаш, а також на розширених наукових семінарах кафедри АММ ДДМА (м. Краматорськ, 2005 і 2006).

2. Основний зміст роботи

У вступі обумовлена актуальність теми і показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано поставлену мету і задачі, надано характеристики об'єкта, предмета і методів досліджень. Відзначено особистий внесок здобувача, показані наукова новизна і практична цінність одержаних результатів, а також їхня апробація і промислове використання.

Технологічні режими, методи розрахунку, склад і конструктивні особливості механічного устаткування для правлення металу (аналіз стану питання)

Серед технологій і устаткування для правлення металопрокату, яке застосовується в металургійному виробництві, особливе місце займають процеси правлення багаторазовим вигином на багатороликових правильних машинах, що характеризуються високою продуктивністю при одночасному забезпеченні широкого сортаменту і високої якості готової металопродукції.

Процеси правлення на багатороликових машинах досить докладно вивчені в роботах вчених і фахівців наукових шкіл під керівництвом О.І Целікова, О.О. Корольова, В.І. Дунаєвського, А.З. Соніна, О.Л. Слоніма, Є.М. Мошніна, В.М. Луговського та інших. З погляду аналітичних інженерних методів розрахунку процесів правлення, що допускають в основному усереднення напруженого стану по всьому обсязі осередку деформації, відомі математичні моделі процесів правлення вигином на основі робіт О.І. Целікова й О.О. Корольова. Основною перевагою зазначених методик є простота їхньої реалізації при проектних і перевірочних розрахунках, що й обумовило їх досить широке використання.

Відомий також ряд чисельних математичних моделей процесів правлення вигином, прикладом якого може служити методика УкрНДІметалургмаш-ДДМА. Загальним для відзначених методик є те, що одним з їхніх основних понять є коефіцієнт проникнення пластичної деформації, який характеризує відношення висоти пружної зони до товщини листа і прийнятий рівним 0,67...0,8 під другим робочим роликом. Подальші обчислення ведуться в припущенні про відому залежність кривизни пружної лінії листа від даного коефіцієнта, який у цьому випадку приймається приблизно відомим і є вихідним параметром. При цьому визначення реальної кривизни пружної лінії листа не виконується. Відзначене унеможливлює застосування описаних методик для проектування технологічних настроювань.

Вибір основних конструктивних параметрів механічного устаткування, як правило, виконується з використанням напівемпіричних залежностей, результати яких мають значну похибку, особливо у випадку створення нових машин і агрегатів для роботи в широкому діапазоні типорозмірів листів, що піддаються правленню.

Відсутність надійних і швидкодіючих засобів проектування технологічних настроювань устаткування для правлення приводить до зниження якості готової металопродукції й у значній мірі робить цей показник залежним від досвіду і кваліфікації обслуговуючого персоналу. Низька швидкість прийняття рішень у цьому випадку знижує продуктивність устаткування товстолистових прокатних станів у цілому. Недостатній ступінь наукової обґрунтованості рішень, прийнятих на стадії розробки устаткування, часто веде до невиправданого завищення запасів міцності вузлів і деталей, характеристик приводів і ускладненню їхньої конструкції, що негативно позначається на конкурентноздатності устаткування в умовах сучасних ринкових відносин.

Вибір напрямку і методів досліджень процесів гарячого правлення товстих листів

Основним недоліком відомих інженерних моделей розрахунку процесів правлення листового металопрокату на багатороликових правильних машинах є відсутність зв'язку між технологічним настроюванням робочих роликів з енергосиловими параметрами процесу і результуючими показниками якості одержуваної в кожнім конкретнім випадку металопродукції. Таким чином, важливою є задача розробки математичних моделей процесів правлення, заснованих на використанні чисельних рішень, що дозволяють коректно врахувати граничні умови осередку деформації поряд з наданням більш повної інформації про основні технологічні параметри процесу, що реалізується.

З огляду на викладене вище, рішення задач моделювання процесів правлення товстих листів доцільно виконувати на основі чисельної інтерпретації сумісного рішення умов рівноваги і рівняння нейтральної лінії листа, що піддається правленню.

З метою забезпечення найбільш повного урахування всього комплексу вихідних даних при математичному моделюванні процесів правлення може бути реалізоване математичне моделювання процесу, засноване на використанні методу кінцевих елементів.

Отримані математичні моделі надалі доцільно використовувати як цільові функції при постановці і рішенні задач автоматизованого проектування і розробці рекомендацій з удосконалення технологій і устаткування процесів гарячого правлення товстого листового металопрокату.

Для проведення експериментальних досліджень інтегральних характеристик енергосилових параметрів і результуючої кривизни при правленні листів зі свинцю, а також сталей різних марок у гарячому стані спеціально розроблена при виконанні даної роботи лабораторна п'ятироликова листоправильна машина 100х110х5 Донбаської державної машинобудівної академії.

З метою запису поточних у часі значень усіх енергосилових параметрів, за винятком швидкості і кривизни, а також їхньої наступної розшифровки застосовується ЕОМ з використанням аналогово-цифрових перетворювачів і аналітичної інтерпретації відповідних тарувальних графіків.

Експериментальні дослідження енергосилових, геометричних і кінематичних параметрів реалізовані також на устаткуванні ряду промислових станів, таких як, наприклад, листоправильної машини №3 комбінованого товстолистового стану 2800/1700 Череповецького металургійного комбінату (ВАТ “Северсталь”, Росія).

У рамках безпосередньо проведення й аналізу результатів експериментальних досліджень у лабораторних і промислових умовах використані методи тензометрії, фізичного моделювання, а також теорії ймовірностей і математичної статистики.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану й основних показників якості при реалізації процесів гарячого правлення товстих листів

Відповідно до необхідності рішення поставлених задач у рамках даного дослідження була розроблена одномірна математична модель. Розрахункова схема правлення листа товщиною між -м і робочими роликами.

При розробці відповідної математичної моделі процесу правлення в основу були покладені наступні основні допущення:

· задача є геометрично лінійною, як у випадку балки, тобто внаслідок малості кутів нахилу листа припустимо зневажити квадратом похідної в точній формулі кривизни для вигнутої подовжньої осі, якщо форма лінії виражається залежністю :

, (1)

де - кривизна пружної лінії листа в даній точці;

, - абсциса й ордината точки пружної лінії листа відповідно.

· використано кусочно-лінійний опис епюри згинаючого моменту і відповідно вертикальний напрямок реакцій роликів, що випливає з малості кутів нахилу листа і незначності подовжніх сил відносно поперечних;

· для опису залежності між кривизною і згинальним моментом при знакозмінному вигині використана модель Мазінга.

Виходячи з першого допущення форма пружної осі листа при може бути представлена у вигляді:

, (2)

з наступними граничними умовами:

, , ; (3)

, , (4)

де - залежність згинаючого моменту в перетинах по довжині листа;

- кут повороту перетину листа при підході до -ї міжроликової ділянки (див. рис. 2);

- кут повороту перетину листа при сході металу з -ї міжроликової ділянки;

, - геометричні характеристики, обумовлені в такий спосіб:

;

,

- крок між роликами;

- діаметр -го ролика;

- прогин листа -м роликом.

При рішення рівняння (2) має вигляд:

;

.

Граничні умови (4) дозволяють виразити кути і як:

(5)

(6)

Розглядаючи послідовно ділянки з умовами сполучення одержимо систему з рівнянь при , де - кількість робочих роликів правильної машини. Для рішення даної системи був використаний ітераційний метод послідовних наближень з наступним визначенням діючих на правильні ролики сил, крутних моментів і результуючої кривизни.

Слід зазначити, що в даній постановці і рішенні методика спирається на геометричні координати робочих роликів правильної машини поряд з геометричними характеристиками і механічними властивостями матеріалу листа, що правиться, при цьому така характеристика ефективності умов реалізації технологічного режиму процесу правлення на багатороликових правильних машинах, як коефіцієнт проникнення пластичної деформації, є розрахункової і визначається на основі рішення пружної лінії листа.

Результати чисельної реалізації отриманої математичної моделі, заснованої на ітераційному визначенні кутів підходу і сходу листа з кожного робочого ролика правильної машини відповідно до залежностей (1)-(6). З аналізу приведених розподілів були встановлені й одержали кількісний опис наступні основні положення:

· зі збільшенням прогину листа вплив вихідної кривизни на результуючу кривизну після правлення, а отже, і на ефективність реалізованого технологічного процесу, знижується;

· при збільшенні значення відношення гранично пружного радіуса (R_у) листа, що виправляється, під третім роликом машини до фактичного (Rф) Rу/ Rф > 5 залишкові напруження у матеріалі листа можуть приводити до короблення листа під час остигання після правлення;

· залежність результуючої кривизни листа від його перегину і кута нахилу верхнього ряду роликів при фіксованих значеннях механічних властивостей матеріалу і геометричних характеристик листа має чітко виражений мінімум;

· істотне зниження енергосилових параметрів при гарячому правленні товстих листів, а також імовірності дефектоутворення можливе за рахунок раціонального визначення прогину листа третім роликом, а також кута нахилу роликів рухомої траверси.

Для більш повного аналізу напружено-деформованого стану й основних показників якості готової металопродукції, а також оцінки коректності прийнятих допущень розробленої математичної моделі аналогічне дослідження було проведено і з використанням методу кінцевих елементів на основі програмного пакета ABAQUS. Умови реалізації були максимально наближені до промислових, при цьому було забезпечене додаткове урахування зміцнення матеріалу листа, а також дотичних напружень зсуву, характерних саме для правлення товстих листів. Приклади результатів виконаних розрахунків представлені на рис. 3б, а їхній аналіз свідчить про якісну відповідність результатів розрахунків з використанням обох підходів, при цьому кількісна розбіжність даних результатів не перевищила 15%. Слід зазначити, що витрати машинного часу на чисельну реалізацію кінцево-елементної моделі склали від декількох годин до доби, тоді як час на чисельну реалізацію одномірної математичної моделі не перевищив однієї секунди, що дозволяє використовувати її як цільову функцію безпосередньо в рамках системи автоматизованого керування листоправильною машиною.

Експериментальні дослідження процесів гарячого правлення товстих листів

З метою уточнення вихідних передумов для чисельної реалізації розроблених математичних моделей, а також оцінки ступеня вірогідності результатів, що ними надаються, були проведені експериментальні дослідження процесів правлення товстих листів. Дані дослідження були проведені з використанням спеціально спроектованої і виготовленої експериментальної установки п'ятироликової листоправильної машини 100х110х5 ДДМА, що дозволяє вимірювати силу правлення на кожному з п'яти правильних роликів, а також момент правлення на кожнім з чотирьох приводних правильних роликів (див. рис. 1). При цьому вимірюванню також піддавали результуючу кривизну листа при різних варіантах настроювань робочих роликів. У ході експериментів здійснювали варіювання перегинів листа на кожнім з роликів і реалізацію рівнобіжного, похилого й індивідуального настроювань, відповідно.

Порівняльний аналіз результатів експериментальних і теоретичних досліджень енергосилових і геометричних параметрів процесу підтвердив достатній ступінь вірогідності результатів отриманих математичних моделей. Крім того, проведені дослідження дозволили уточнити вихідні передумови для реалізації заходів щодо автоматизованого проектування і розробки рекомендацій з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного устаткування машин для реалізації процесів гарячого правлення відносно товстих листів.

З метою максимального наближення умов реалізації отриманих програмних засобів до промислових в рамках даної роботи були проведені експериментальні дослідження на устаткуванні ТЛС 2800 Череповецького металургійного комбінату ВАТ “Северсталь” (Росія). При цьому вихідні дані про матеріал листа, що правиться, його товщину і температуру уводилися вручну відповідно до інформації, що надходила на пульт оператора листоправильної машини, а настроювання здійснювалося відповідно до розрахованих координат роликів. Контролювалися як якісні показники процесу, тобто відповідність правленого листа вимогам діючих на підприємстві нормативних документів, так і кількісні значення енергосилових параметрів, які фіксувалися за показниками датчиків, сигнали з яких у часі записувалися в діагностичній системі. У результаті проведених досліджень були уточнені вихідні дані по настроюванню робочих роликів, а також підтверджена можливість використання одержаних в межах даної роботи технологічних рекомендацій у промислових умовах.

Результати проведених експериментальних досліджень у своїй сукупності дозволили сформулювати науково обґрунтовані рекомендації до автоматизованого проектування технологічних режимів процесів гарячого правлення товстих листів на багатороликових правильних машинах. Зокрема, було встановлено, що з точки зору можливості досягнення мінімальної кривизни листа досить похилого настроювання роликів, при цьому зазор між першим і другим робочими роликами встановлюється рівним товщині листа, що забезпечує надійне захоплення переднього кінця листа роликами правильної машини. Максимальний перегин здійснюється між другим, третім і четвертим робочими роликами і регламентується виходячи з товщини і механічних властивостей прокату, що правиться. Досягнення ж мінімальної результуючої кривизни листа при заданій дискретності переміщення робочих роликів досягається підбором раціонального значення кута нахилу роликів рухливої траверси, який визначається в кожному конкретному випадку за розробленими методиками.

Автоматизоване проектування і розробка рекомендацій з удосконалення технологій і устаткування для гарячого правлення товстих листів

Для коректного визначення технологічних настроювань листоправильних машин, що забезпечують необхідну якість правлених листів, був запропонований алгоритм послідовного перебору варіантів зі змінним кроком з метою визначення величини кута нахилу робочих роликів рухомої траверси, що забезпечує мінімум результуючої кривизни листа при заданій дискретності переміщення роликів. Результати проведених теоретичних досліджень підтвердили справедливість такого підходу, тому що у всьому діапазоні геометричних типорозмірів і механічних властивостей листів, який досліджували, залежність результуючої подовжньої кривизни листа після правлення від кута нахилу роликів рухомої траверси має однозначний екстремум. Крім того, аналіз отриманих розрахункових розподілів свідчить про монотонний характер залежності результуючої кривизни листа від кута нахилу робочих роликів рухомої траверси за інших рівних умов, при цьому з використанням отриманих методик можливе визначення кількісної оцінки діапазону зміни кута нахилу настроювання роликів, що забезпечує необхідну якість готової металопродукції. Зазначене може бути використане при реалізації автоматизованого проектування і розробці рекомендацій з удосконалення технологічних режимів процесів гарячого правлення товстих листів.

На основі використання розроблених математичних моделей як цільової функції був створений комплекс програмних засобів з автоматизованого розрахунку технологічного настроювання багатороликової листоправильної машини, а також розроблені відповідні рекомендації з удосконалення технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів устаткування для гарячого правлення товстих листів.

Даний програмний комплекс успішно впроваджений у систему автоматичного керування технологічним процесом листоправильної машини №1 ТЛС 3000 Алчевського металургійного комбінату і дозволяє здійснювати автоматичне настроювання положення роликів листоправильної машини в залежності від температури, механічних властивостей матеріалу і геометричних параметрів листів, що правиться, переданих від системи автоматичного керування технологічним процесом стану, при цьому відсортування продукції через неякісне правлення не перевищило 1% від маси вироблених листів у всьому діапазоні товщин.

Використання розроблених програмних засобів дозволило уточнити вихідні дані на проектування найбільш важконавантажених вузлів механічного устаткування нової листоправильної машини для ВАТ “Алчевський металургійний комбінат”, таких як вузол станин, рами верхньої і нижньої касет, вузол опорних роликів, гідравлічний натискний пристрій і т.п. Листоправильна машина для гарячого правлення листів товщиною від 6 до 50 мм із матеріалів з границею текучості в холодному стані до 1100МПа була виготовлена в 2005-2006 роках. З листопада 2006 року устаткування експлуатується на проектній потужності.

Також на основі розробленого комплексу математичних моделей і програмних засобів був виконаний проект і здійснена реконструкція ще двох листоправильних машин ВАТ “Алчевський металургійний комбінат”зі зміною числа роликів правильних машин з 9 до 11 при одночасному зменшенні кроку роликів з 450 до 300мм, що дозволило здійснювати якісне правлення листів товщиною від 6 до 50мм, що підтверджено відповідними актами впровадження.

Висновки

У дисертації здійснені нові науково-технічні розробки з розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також з удосконалення технологій і устаткування процесів гарячого правлення товстих листів, що забезпечують рішення актуальних задач, які мають практичне значення і спрямовані на розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості продукції товстолистових прокатних станів.

1. Подальший розвиток технологій і устаткування для виробництва і правлення гарячекатаних товстих листів, що мають високий рівень споживчих властивостей і широко використовуються в різних областях промисловості, пов'язано з розвитком методів їхнього автоматизованого розрахунку і проектування, підвищенням ступеня наукової обґрунтованості прийнятих технічних рішень, а також з розробкою і впровадженням конкретних практичних рекомендацій.

2. На основі методів рішення системи рівнянь геометричної форми пружної лінії виробу, що піддається правленню, розроблена одномірна математична модель процесу гарячого правлення товстих листів, що забезпечує коректне урахування реальної геометричної форми листа між роликами правильної машини і дозволяє прогнозувати енергосилові параметри, розподіли напружень і деформацій, а також основні показники якості готової металопродукції. Рішення аналогічних задач методом кінцевих елементів підтвердило коректність розробленої одномірної моделі і можливість її використання при створенні систем автоматизованого контролю і керування технологічним устаткуванням багатороликових листоправильних машин товстолистових прокатних станів.

3. Достатній ступінь вірогідності розроблених чисельних математичних моделей підтверджений також результатами експериментальних досліджень локальних і інтегральних характеристик напруженого стану при реалізації процесів гарячого правлення товстих листів. При цьому середні вибіркові оцінки співвідношень розрахункових і емпіричних значень сили і моменту правлення знаходилися в діапазоні 0,95...1,04, а мінімальні і максимальні границі довірчих інтервалів їхньої зміни при довірчій імовірності 0,95 складали 0,92...0,98 і 1,01...1,07, відповідно.

4. Використання розроблених методик розрахунку дозволяє встановити кількісний зв'язок між технологічними параметрами настроювання робочих роликів і результуючою кривизною листа після правлення, що може бути використане при організації процедур автоматизованого проектування відповідних технологічних режимів

5. Для забезпечення необхідної якості готової металопродукції, при автоматизованому проектуванні технологічного настроювання робочих роликів правильної машини достатньо використовувати, як параметри, що варіюються, перегин листа між другим, третім і четвертим роликами і нахил роликів рухомої траверси. При цьому співвідношення максимальної кривизни листа до граничної пружної, з погляду збереження цілісності листа і забезпечення якісного його правлення, повинне знаходиться в діапазоні 5...10, причому менші значення співвідношення відповідають менш пластичним матеріалам і листам з меншою величиною вихідних дефектів площинності.

6. Поставлені і вирішені програмно задачі з автоматизованого проектування на основі чисельних математичних моделей і розроблені практичні рекомендації, спрямовані на підвищення ефективності технологій і обладнання процесів гарячого правлення товстих листів, в яких врахований характер впливу вихідних параметрів.

7. Уточнені вихідні дані на проектування і виконана реконструкція листоправильної машини №1 гарячого правлення товстолистового стану 3000 Алчевського металургійного комбінату, що був введений в експлуатацію 7.11.2006 року, і створена система автоматичного керування технологічним настроюванням цієї машини стосовно до умов реалізації різних технологічних схем процесу гарячого правлення. Результати роботи у вигляді методик розрахунку, програмних засобів, а також відповідних рекомендацій з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного устаткування машин для правлення товстих листів використані також в ДП УкрНДІметаллургмаш, ДДМА.

деформований ролик прокат листоправильний

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Развитие методов расчета технологий и оборудования процессов правки широкого сортамента толстых листов / Ю.Н. Белобров, В.Г. Смирнов, А.И. Титаренко, А.В. Шестопалов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематик. зб. наук. пр. - Краматорськ-Слов`янськ: ДДМА. - 2003. - С. 67-72.

2. Шестопалов А.В., Синельников И.Л., Сатонин А.А. Разработка уточненной математической модели процесса правки относительно толстых листов и полос // Сборник тезисов IV международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов “Интеллект молодых - производству 2005”. - Краматорск: НКМЗ. - 2005. - С. 25-27.

3. Новые разработки в технологии и оборудовании для горячей правки толстых листов / Ю.Н. Белобров, А.В. Шестопалов, А.В. Сатонин, А.А. Сатонин // Прогрессивные технологи и оборудование в машиностроении и металлургии. Сб. науч. тр. - Липецк: ЛГТУ. - 2006. - Ч. 2. - С. 35-39.

4. Новые разработки в технологии и оборудовании для горячей правки толстых листов / Ю.Н. Белобров, В.Г. Смирнов, А.В. Шестопалов, А.В. Сатонин, А.А. Сатонин, А.Б. Егоров // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2006. - С. 228-231.

5. Реконструкция листоправильной машины ТЛС 2800 Алчевского металлургического комбината / В.А. Федоринов, А.В. Сатонин, А.В. Шестопалов, А.А. Сатонин, Н.В. Кучерук // Металлургические процессы и оборудование: Научно-технический и производственный журнал. - Донецк: ДНТУ-АссоМ. - 2006. - С. 43-47.

6. Новые разработки НКМЗ в технологии и оборудовании для правки толстых листов / А.И. Титаренко, Ю.Н. Белобров, В.Г. Смирнов, И.А. Евгиненко, А.В. Шестопалов, А.В. Сатонин, А.А. Сатонин, А.А. Бегунов // Металлург. - М.: Металлургия. - №11. - 2006. - С. 66-70.

7. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла при горячей правке на многороликовых правильных машинах / А.В. Сатонин, А.В. Шестопалов, Е.Б. Кулаченко, А.А. Кулаченко, А.А. Сатонин // Восточноевропейский журнал передовых технологий. - 2006. - №5/2(23) - С.38-43.

8. Конечно-элементное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла и основных показателей качества при горячей правке на многороликовых правильных машинах / А.И. Титаренко, А.В. Шестопалов, А.А. Сатонин, О.А. Гаврильченко // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів тиском. Матеріали науково-практичної конференції. - Краматорськ: ДДМА. - 2007. - С. 15.

9. Шестопалов А.В., Сатонин А.А., Гаврильченко О.А. Экспериментальные исследования процессов горячей правки относительно толстых листов // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів тиском. Матеріали науково-практичної конференції. - Краматорськ: ДДМА. - 2007. - С. 31.

Размещено на Allbest.ru