Розвиток і реалізація технології, методів розрахунку й управління параметрами процесів виробництва холоднокатаних штаб із високою площинністю та якісною поверхнею

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальний заклад

"Донецький Національний Технічний Університет"

УДК 621.771.23/24:681.5.015:002.2

Спеціальність 05.03.05 - "Процеси та машини обробки тиском"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Розвиток і реалізація технології, методів розрахунку

й управління параметрами процесів виробництва холоднокатаних штаб із високою площинністю та якісною поверхнею

Приходько Ігор Юрійович

Донецьк - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З.І.Некрасова Національної Академії наук України.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Мазур Валерій Леонідович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАНУ (м. Київ), головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ВАСИЛЕВ Янакі Димитров, Національна металургійна Академія України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри "Обробка металів тиском";

доктор технічних наук, професор Ніколаєв Віктор Олександрович, Запорізька державна інженерна академія (м. Запоріжжя), професор кафедри "Обробка металів тиском";

доктор технічних наук, професор КАПЛАНОВ Василь Ілліч, Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь), завідувач кафедри "Обробка металів тиском".

Захист відбудеться 03 червня 2010 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,

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного вищого навчального закладу "Донецький національний технічний університет" за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, навчальний корпус.

Автореферат розісланий 29 квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01, д.т.н., проф. Яковченко О.В.

Анотації

Приходько І.Ю. Розвиток і реалізація технології, методів розрахунку й управління параметрами процесів виробництва холоднокатаних штаб із високою площинністю та якісною поверхнею. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - "Процеси та машини обробки тиском". - Державний вищий навчальний заклад "Донецький національний технічний університет", Донецьк, 2010.

У дисертації вирішена актуальна науково-технічна проблема створення й реалізації методів стабільного забезпечення поліпшених показників площинності й стану поверхні тонких холоднокатаних сталевих штаб в умовах їх масового виробництва на високошвидкісних промислових станах на основі встановлених нових закономірностей впливу на зазначені показники якості основних факторів процесів, температурних і динамічних ефектів. холоднокатаний сталевий штаб

Результати роботи впроваджені у виробничу практику у вигляді нових технічних рішень, технологічних і організаційних заходів, у комплексі комп'ютерних систем для інженерних розрахунків і автоматизованого проектування, а також у діючих системах управління якістю - системі контролю вібрації й управління швидкістю безперервних станів холодної прокатки й першій створеній в СНД системі автоматичного регулювання площинності штаб нового покоління з використанням безконтактних методів виміру температури й площинності штаб.

Ключові слова: холоднокатаний штабовий прокат, температурні ефекти, системи управління, напружений стан, валки, рулони, показники якості: точність, площинність, стан і дефекти поверхні.

Приходько И.Ю. Развитие и реализация технологии, методов расчёта и управления параметрами процессов производства холоднокатаных полос с высокой плоскостностью и качественной поверхностью. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Государственное высшее учебное заведение "Донецкий национальный технический университет", Донецк, 2010.

В диссертации решена актуальная научно-техническая проблема создания и реализации методов стабильного обеспечения улучшенных показателей плоскостности и состояния поверхности тонких холоднокатаных стальных полос в условиях их массового производства на высокоскоростных промышленных станах на основе установленных новых закономерностей влияния на указанные показатели качества основных факторов процессов, температурных и динамических эффектов.

Температурные эффекты. Установлено количественное влияние температурных эффектов, сопровождающих высокоскоростные процессы производства холоднокатаных полос, а именно - влияние полей температур, формируемых в полосе в процессах прокатки, на плоскостность готовой продукции; влияние закономерностей изменения температуры при смотке холоднокатаных полос на напряженное состояние рулонов и формирование дефектов поверхности полос; влияние закономерностей изменения температурно-скоростных, деформационно-силовых параметров процесса непрерывной холодной прокатки на условия теплоотвода и эффективность управления плоскостностью полос селективным охлаждением рабочих валков в последней клети стана.

Новые общие закономерности и механизмы. Установлены новые общие закономерности процесса холодной прокатки в отдельной клети и непрерывной группе, доказывающие альтернативный характер условий осуществления процесса холодной прокатки тонких полос с минимальной силой или мощностью. Впервые получил количественное выражение механизм влияния величины шероховатости поверхности холоднокатаной полосы на формирование дефектов поверхности полос, связанных со слипанием витков в рулоне в процессе отжига, а также проскальзыванием витков при размотке рулонов.

Новые методы расчёта. Разработан метод расчёта напряжения течения материала полосы в процессе прокатки, наиболее точно учитывающий немонотонные сложные зависимости реологических свойств металлов и сплавов от факторов деформирования в различном их сочетании, базирующийся на интер- и экстраполяции многомерных отдельных массивов экспериментальных данных, полученных с различной дискретностью. Разработана трёхмерная модель упруго-напряжённого состояния рулона после смотки и в процессе высокотемпературной обработки, учитывающая исходные неизотермические условия смотки полосы. Разработаны новые критерий, метод оптимизации деформационных режимов многопроходной прокатки, метод расчёта технологических параметров непрерывной прокатки по параметрам настройки стана, метод расчёта температурных условий прокатки, теплового состояния и теплового профиля валков, учитывающие полноту контакта полосы и валков в ОД, а также фактические условия их охлаждения, определённые с использованием оригинального метода определения следов воздействия форсунок. Разработан метод расчёта параметров вертикальных колебаний элементов клети кварто с прогнозированием условий их лавинообразного развития, а также критерий предельно опасного в динамическом отношении состояния непрерывного стана.

Новые средства компьютерного моделирования. Разработан комплекс из 10-ти компьютерных систем для инженерных расчётов параметров и оптимизации процессов прокатки, смотки, отжига рулонов, дрессировки полос и управления тепловым состоянием валков, являющихся эффективным инструментом для научных исследований процессов, проведения научно-технических аудитов технологии и оборудования, а также решения актуальных практических задач.

Новые системы автоматического управления процессами прокатки. Разработаны и внедрены в постоянную промышленную эксплуатацию система контроля вибрации и автоматического управления скоростью непрерывного стана холодной прокатки 2030 ОАО "НЛМК" в зависимости от уровня и закономерностей развития опасных вибраций, а также первая созданная в СНГ система автоматического управления плоскостностью полос на дрессировочном стане 2030 ОАО "НЛМК" с использованием бесконтактных методов измерения плоскостности и температуры полос с достижением эффекта термоправки после остывания.

Новые элементы технологии, технические решения и их эффективность. Разработан и внедрён в промышленное производство комплекс новых запатентованных технических и технологических решений, обеспечивших улучшение плоскостности, состояние поверхности полос, стабильности процесса прокатки, а также освоение новых видов продукции с суммарным подтверждённым экономическим эффектом 2274 тыс. грн. (доля автора).

Ключевые слова: холоднокатаный полосовой прокат, температурные эффекты, системы управления, напряжённое состояние, валки, рулоны, показатели качества: точность, плоскостность, состояние и дефекты поверхности.

Igor Yu. Prykhodko. Technology, Calculation Methods and Parameters Control Development and Implementation for the Production Processes Dedicated to Manufacturing Cold-Rolled Strips of High Flatness and High Quality of Surface. - Manuscript.

Doctoral Thesis on the specialist field "Processes and Machines for Pressure Shaping". The State higher educational institution "Donetsk National Technical University", Donetsk, 2010.

The Doctoral Thesis resolves the scientific and engineering problem of current interest: development and implementation of methods for stable ensuring enhanced surface state and flatness for thin cold-rolled steel strips under condition of mass production at industrial high-speed rolling mills, basing on established new laws reflecting the influence of the process parameters variation, temperature and dynamics effects.

Results of this work are implemented into industry practice in the form of new technical solutions, technological and institutional arrangements as a complex of computer systems for engineering computer-aided design and calculations, as well as in the actual quality control systems, vibration and speed control system for continuous strips cold-rolling mills, and in the new-generation automatic flatness control system, which uses noncontact methods of strips temperature and flatness measurement being the first system of such kind in CIS countries.

Keywords: strip steel cold-rolled stock, thermal effects, control systems, stress condition, rolls, coils, quality factors: accuracy, flatness, surface state and defects.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Якість металопродукції й, зокрема, холоднокатаного штабового прокату є важливим чинником конкурентоспроможності продукції багатьох галузей промисловості. В свою чергу якість продукції визначається рівнем технології. Підвищення якості досягається, в основному, шляхами розширення кола завдань, розв'язуваних автоматичними системами управління й розробкою устаткування з новими можливостями управління якістю. Стабільність характеристик якості металопродукції багато в чому визначається стабільністю технологічних процесів її виробництва. Із цієї точки зору перспективний аналіз їхніх імовірнісних аспектів.

Інтенсифікація швидкісних режимів холодної прокатки й зменшення середньої товщини холоднокатаних штаб у сортаменті більшості станів посилили вплив динамічного і температурного факторів процесу на показники якості готових штаб. Основними причинами, що перешкоджають досягненню високої швидкості процесу є: нестабільність технологічного мастила в осередку деформації (ОД) внаслідок збільшення тепловиділення й вібрації, що виникають при високій швидкості. Теоретичні й прикладні дослідження, спрямовані на розробку ефективних систем попередження й контролю вібрацій на станах, є актуальними.

Важливим фактором поліпшення якості холоднокатаних штаб у великогабаритних рулонах є формування в них оптимального температурного й напруженого стану. Неврахування цього приводить до появи дефектів поверхні штаб, не дозволяє повною мірою використовувати ступінь безперервності процесів, знижує їх продуктивність і збільшує відсортування готової продукції.

Для підвищення конкурентоспроможності листопрокатної продукції необхідне освоєння нових її видів із підвищеними вимогами до якості, а також зниження енерговитрат. Для створення технологій, які забезпечують досягнення цієї мети, потрібні нові знання про характер, сукупність і ступені впливу факторів, що діють в умовах інтенсивних процесів холодної прокатки штаб.

Виходячи з цього, виявлення закономірностей процесів прокатки й дресирування, їх наукове обґрунтування, визначення можливості підвищення макро- і мікрогеометричних характеристик штаб, розробка методів розрахунку параметрів і оптимізації процесів, алгоритмів і систем автоматичного управління, ефективних технологічних прийомів, створення нових пристроїв і устаткування являє собою актуальну проблему, що має важливе наукове й практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до тематичних планів Інституту чорної металургії (ІЧМ) Міністерства чорної металургії СРСР (до 1991 р.), що відповідали Координаційним планам по науково-технічному напрямку "Виробництво гарячекатаної і холоднокатаної тонколистової сталі", господарським договорам ІЧМ НАН України (з 1992 р.), замовленням Міністерства промисловості й промислової політики України (1994 - 1997, 2004-2006 рр.), а також у рамках бюджетної й пошукової тематики ІЧМ НАН України. Номера державної реєстрації найбільш важливих НДР, у рамках яких виконувалася дисертація, і виконанням яких автор керував або був відповідальним виконавцем: UA01014315P, 0105U006846, 0106U003787, 0105U006846, 0107U001699, 0107U001716, 0104U005552, 0107U001699.

Мета та завдання дослідження. Розвиток наукових основ і реалізація методів управління площинністю, станом поверхні, товщиною штаб та удосконалення технологічних процесів виробництва холоднокатаних штаб на високошвидкісних станах на основі встановлених нових закономірностей впливу на зазначені показники якості основних факторів процесів, температурних й динамічних ефектів.

Для досягнення поставленої мети сформульовані й вирішені наступні науково-технічні завдання:

1. Розвиток, реалізація в спеціалізованих засобах комп'ютерного моделювання методів розрахунків і оптимізації процесів холодної прокатки, змотування в рулони, відпалювання й дресирування тонколистової сталі.

2. Розвиток теорії й технології управління поперечним профілем і площинністю штаб на сучасних листопрокатних станах.

3. Розробка й впровадження рекомендацій, що підвищують стабільність процесу і знижують обривність штаб при безперервній холодній прокатці.

4. Визначення умов реалізації процесу холодної прокатки тонких штаб з мінімальними силою й потужністю.

5. Встановлення комплексу факторів, закономірностей їх зміни й впливу на умови злипання й проковзування витків штаб у щільно змотаних рулонах, розробка й впровадження технології, що запобігає обумовлених цим дефектів поверхні.

6. Розробка рекомендацій, методів і систем управління, що забезпечують високу точність по товщині, площинність, поліпшений стан поверхні штаб, зниження вібрацій і підвищення продуктивності станів в умовах високошвидкісної безперервної холодної прокатки й дресирування.

7. Розробка методології науково-технічного аудита листопрокатних станів.

Об'єкт дослідження. Технологічні процеси й устаткування для масового виробництва тонких холоднокатаних штаб на високошвидкісних промислових станах.

Предмет дослідження. Механізми формування напружено-деформованого стану металу й показників його якості (точності по товщині, площинності й стану по-верхні) у процесах холодної прокатки й дресирування штаб з урахуванням температурних, динамічних ефектів і факторів стабільності.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтувалися на класичних положеннях теорії пружності, пластичності, прокатки, інженерних, чисельних підходах, методах рішення оптимізаційних задач і математичної статистики. Експериментальні методи полягали у фізичному моделюванні в лабораторних і промислових умовах з використанням методів термографії, тензометрії, пластометрії, визначення топографії охолодження валків, оцінки геометричних характеристик, у тому числі площинності, стану поверхні, механічних властивостей і інших показників якості холоднокатаних штаб.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертації складають наступні її положення.

1. Вперше теоретично й експериментально встановлений вплив температури холоднокатаних штаб при змотуванні на напружений стан рулонів і формування дефектів поверхні штаб.

При монотонному або різкому зростанні температури штаби (на 30-50 С) у ході змотування зовнішній більш гарячий шар витків при остиганні рулону стискає більш холодний внутрішній, а більш холодний внутрішній, розігріваючись від гарячого зовнішнього, розширюється, при цьому формується пік стискаючих міжвиткових тисків у перехідному шарі витків (де відбувалася зміна температури) і підвищені тиски в суміжних шарах, сумірних по товщині. Внаслідок злипання витків у перехідній температурній області формуються дефекти поверхні штаб (такі як лінії перегину штаб при розмотуванні рулонів після ковпакового відпалювання).

При монотонному або різкому зменшенні температури штаби на 30-50 С при змотуванні внутрішній більш гарячий шар витків при остиганні рулону й усередненні в ньому температури стискується, а наступний за ним шар витків, розігріваючись від внутрішнього, розширюється, при цьому в перехідній області формується розпушений шар витків. Це приводить до проковзування, царапання поверхні штаб у перехідному шарі витків і осьового зсуву шарів витків при розмотуванні рулону.

2. Вперше встановлено механізм процесу термоправки штаб.

Нерівномірний розподіл температури по ширині штаб у діапазоні до 10-30 С при холодній прокатці викликає після їхнього остигання зміну площинності. Більш гарячі поздовжні "волокна" після усереднення температури по ширині штаби скорочуються в довжині, а більш холодні - подовжуються. Це уможливлює термоправку штаби з досягненням нею площинної форми за рахунок одержання необхідного розподілу цільової кривої площинності, температури t по ширині штаби шляхом зонного охолодження валків і штаби залежно від площинності, яка на стані контролюється в режимі реального часу. Встановлена наступна залежність площинності

П [IU] від температури й профілю зовнішньої утворюючої рулону по ширині штаби:

Пi=Ri/R + (tср-ti)105

(де Ri - відхилення на i-тій ділянці по ширині штаби поточного радіуса рулону від середнього R; - коефіцієнт температурного розширення матеріалу штаби, С-1), яка покладена в основу термоправки штаб після їхнього повного остигання.

На основі температурного ефекту й ефекту викривлення результатів виміру площинності штаб під натягом (внаслідок нерівномірності радіусу по ширині рулону) розроблено новий метод управління площинністю штаб, заснований на одночасному контролі їх площинності, температури й профілю зовнішньої утворюючої рулонів у міру змотування.

3. Вперше для умов холодної прокатки штаб зі змащенням запропонована залежність теплового стану валків і штаби від критерію, що характеризує повноту контакту валків і штаби, який дорівнює відношенню площі ділянок осередку деформації із граничним тертям до загальної площі осередку.

На основі теорії прокатки з урахуванням гідродинамічних ефектів змащення, коефіцієнт змішаного (напіврідинного) тертя являє собою суму добутків коефіцієнта граничного й рідинного тертя на частки площі відповідних ділянок в осередку деформації. Тому відмінність у клітях стану значень коефіцієнта тертя при прокатці характеризує й відмінність повноти контакту. А відмінність повноти контакту визначає відмінність умов теплообміну валків і штаби в осередку деформації як окремий фактор. Її збільшення викликає зменшення температури штаби й збільшення температури валків на виході з осередку деформації внаслідок інтенсифікації теплообміну з робочими валками, що мають більш низьку температуру. При зміні швидкості прокатки конкуруючий випереджальний вплив на температуру штаби виявляє коефіцієнт тертя.

Установлені закономірності використані для забезпечення заданого теплового напору змащувально-охолоджуючої рідини (ЗОР), величина якого (5-15 С) забезпечує ефективне управління площинністю штаб селективним охолодженням валків.

4. Вперше встановлено закономірність лавиноподібного посилення вібрацій безперервного стану холодної прокатки штаб за умови, що за 1-3 с до цього має місце стійкий взаємозв'язок коливань опорних валків в 2-х - 4-х останніх суміжних клітях у діапазоні частот 90-150 Гц, при якій вертикальні коливання верхнього й нижнього комплектів валків кожної кліті протифазні й, одночасно, у суміжних клітях фази коливань валків збігаються. Випереджаюче протягом 0,15-0,35 секунд зменшення швидкості прокатки на 10-15 м/хв блокує лавиноподібний розвиток вібрації стану, у результаті чого прокатка здійснюється на підвищеній середній швидкості. Зменшення швидкості прокатки в кліті з найбільшою інтенсивністю вібрації й, відповідно, зниження заднього натягу на 5-10 Н/мм 2 також сприяє блокуванню посилення вібрації. Відмінністю розробленого нового методу надійного виявлення небезпечних у динамічному відношенні станів безперервного стана холодної прокатки є контроль: рівнів спектра вібрації в обчисленому діапазоні частот (як фактора інтенсивності вібрації), тісноти зв'язків коливань валків у суміжних клітях (як характерної закономірності їх лавиноподібного розвитку), балансу горизонтальних сил, що діють на робочі валки (як фактора стійкого їхнього горизонтального положення без розкриття зазорів), значень нейтрального кута й випередження в осередку деформації (як фактора стабільності процесу).

Виявлені закономірності й установлені на основі результатів експериментів обмеження забезпечують високу (сягаючу 95%) ймовірність ідентифікації початку фази лавиноподібного розвитку вібрацій безперервного стана за 13 секунд до цього моменту.

5. Удосконалено метод оптимізації деформаційного режиму багатопрохідної прокатки при заданих початковій і кінцевій товщинах штаби.

Метод забезпечує розв'язок завдання пошуку такого деформаційного режиму прокатки, при якому досягаються задані значення параметрів процесу, що оптимізуються в окремих клітях (проходах) і задані співвідношення між цими параметрами в інших клітях (проходах) з урахуванням обмежень. Після кожної попередньої корекції одночасно всіх часток обтиснень у функції параметрів процесу, що оптимізують проводиться процедура їх уточнення, що забезпечує збереження співвідношення між ступенями деформації й, одночасно, загальний сумарний ступінь деформації. Метод відрізняється тим, що не припускає безлічі попередніх розрахунків для відшукання оптимального розв'язку. З його використанням можуть бути забезпечені задані співвідношення по проходах між силою, моментом, потужністю, питомою енергоємністю процесу багатопрохідної прокатки, температурою або верстатною опуклістю валків по клітях, між величинами відносної поперечної різнотовщинності штаби при прокатці, коефіцієнта тертя, тангенціальних сил на робочих валках, інтенсивності вібрації клітей і інших параметрів процесів безперервної або багато-прохідної реверсивної прокатки штаби, що монотонно залежать від ступеня деформації. Число ітераційних циклів (3-7) розрахунків параметрів процесу не залежить від числа клітей стана (пропусків штаби).

Використання методу забезпечує можливість оперативного управління стратегією багатопрохідної прокатки, підвищення стабільності процесу, площинності штаб, що прокатуються, продуктивності стана, зниження вібрацій стана, зменшення енергоємності технологічного процесу.

6. Удосконалено метод розрахунків проміжних товщин і міжклітьових натягів по параметрах настроювання безперервного стана, а також одержала подальший розвиток детерміновано-імовірнісна математична модель процесу безперервної холодної прокатки штаб.

Розв'язок зворотного завдання із двома невідомими параметрами по клітях (товщини й міжклітьові натяги) реалізоване у вигляді послідовного розв'язку прямого завдання (визначення по клітях позицій натискних пристроїв і швидкостей валків). При цьому шукані спочатку невідомі параметри розв'язку зворотного завдання одночасно цілеспрямовано коригуються (з використанням отриманих математичних виражень) з досягненням відповідності цих параметрів (із заданою точністю) результатам розв'язку прямого завдання. Такий метод дозволяє використовувати алгоритми розрахунків енергосилових і кінематичних параметрів осередку деформації будь-якої складності.

Математична модель процесу безперервної холодної прокатки дозволяє здійснювати імовірнісні оцінки зміни енергосилових параметрів процесу, а також товщини штаб, що прокатуються, на різних етапах прокатки (прискорення стана, сталий процес, гальмування стана). Вона враховує як комплекс раніше врахованих факторів, які мають стохастичну природу (вихідну різнотовщинність, шорсткість поверхні підкату, хімічний склад і параметри структури сталі, температуру й концентрацію ЗОР), биття валкових систем клітей, так і додаткові фактори: на кожному кроці моделювання процесу, де випадкові аргументи змінюються в заданих діапазонах і із заданими законами розподілу, використовується детермінований метод розрахунків і реалізації керуючих впливів, що моделює автоматичне управління товщиною й натягом штаби з урахуванням тимчасового й транспортного запізнювання.

Використання математичної моделі дозволяє визначати параметри стабільності процесу прокатки, параметри проектованого обладнання станів, а також визначати режими прокатки, при яких управління товщиною, натягом і площинністю штаб найбільш ефективно.

7. Одержали подальший розвиток уявлення про розкатуваність локальних стовщень поперечного профілю підкату в процесі безперервної холодної прокатки тонких штаб.

Показано, що залежно від кінцевої товщини штаби й силових умов холодної прокатки локальна неплощинність буває двох різних видів місцева хвилястість і "жолоб". Відмінність зазначених видів локальної неплощинності полягає в ортогональних напрямках втрати стійкості штабою й у механізмах утворення дефектів. Установлено, що при холодній прокатці штаби на ділянках, що мають значні (>0,3-0,5% від товщини H) по величині локальні стовщення поперечного профілю підкату (H<2,5 мм) спостерігається знижена витяжка й локальні розтягувальні напруги, а не стискаючі, як у випадку утворення місцевої хвилястості. Ефект пов'язаний з формуванням на зовнішній утворюючій рулону, що змотується, локального підвищення. Дія локально прикладеної по ширині штаби розтягувальної сили (внаслідок підвищеної швидкості руху штаби на цій ділянці) поширюється по ширині натягнутої плоскої холоднокатаної штаби. У точках на площині штаби (між виходом з осередку деформації й зовнішньої утворюючої рулону з локальним стовщенням), що перебувають поза лінією дії результуючої сили, виникають поперечні складові, які прагнуть викликати втрату стійкості штаби уздовж її ширини (складки або "жолоб"). У випадку місцевої хвилястості середня сила прокатки в клітях стана повинна бути збільшена, а у випадку утворення "жолоба" - зменшена.

Цільова крива нерівномірності витяжок на ділянці локального стовщення повинна при прокатці штаб перед відпалюванням в ковпакових печах повторювати поточне відношення профілю зовнішньої утворюючої рулону (з формованим локальним підвищенням) до його радіуса, завдяки чому усувається ділянка з максимумом міжвиткових тисків у місці локального стовщення, знижується ймовірність місцевого злипання витків при відпалюванні й утворення ліній перегину при розмотуванні рулонів. А при прокатці з відпалюванням в агрегатах безперервної дії - повторювати цей профіль зі зворотним знаком, щоб компенсувати викривлення обмірюваної на цій ділянці площинності штаби, викликане нерівномірністю швидкості й натягу плоскої штаби по ширині при змотуванні рулону.

8. Вперше виявлені закономірності реалізації процесу холодної прокатки тонких штаб: з мінімальною силою або з мінімальними енерговитратами.

Установлено, що в умовах, які наближаються до межі викатування при холодній прокатці, вирішальну роль грає не тільки довжина пружно деформованої дуги контакту валків і штаби, але й довжина ділянки відносно постійної товщини, де мінімальні енергія деформації й сил тертя, а також положення цієї ділянки відносно прямої, що з'єднує центри обертання валків. При зменшенні товщини й підвищенні напруги плину матеріалу прокатуваної штаби зі збільшенням довжини дуги контакту в серединній області ОД формується й розширюється ділянка з відносно постійною товщиною штаби. Ділянка, стаючи усе більш симетричною щодо лінії, що з'єднує центри обертання валків, приводить до зворотної залежності сили й моменту прокатки від початкової товщини прокатуваних штаб, у результаті чого при зростанні сили прокатки момент і потужність зменшуються. При безперервній холодній прокатці штаб з однаковими міжклітьовими питомими натягами має місце зворотний зв'язок середньої сили й сумарної потужності прокатки.

Виявлені закономірності дозволили цілеспрямовано визначати найменш енергоємні деформаційні режими багатопрохідної холодної прокатки при заданих величинах натягів, режим яких, з урахуванням обмежень, підлягає підвищенню швидкості прокатки й зменшенню обривності штаб.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена й впроваджена в умовах дресирувального стана ДС-1 НЛМК нова система автоматичного регулювання площинності (САРП) штаб з використанням безконтактних методів виміру площинності й температури штаби, що дозволила досягти ефекта термоправки й поліпшити площинність готових штаб на 1030%.

2. Розроблена й впроваджена в умовах СБП 2030 НЛМК нова автоматична система контролю вібрацій (СКВ) і управління швидкістю стана холодної прокатки, що дозволила підвищити середню швидкість прокатки тонких (до 0,7 мм) штаб на 811% без розвитку вібрацій стана й виникнення підвищеної високочастотної поздовжньої різнотовщинності штаб.

3. Розроблені методи й алгоритми розрахунків параметрів, оптимізації процесів виробництва холоднокатаних штаб реалізовані в спеціалізованих комп'ютерних системах, що є ефективним інструментом для досліджень, і використовуються при проведенні науково-технічних аудитів технології процесів виробництва тонколистового прокату, розв'язку актуальних практичних завдань, з метою навчання й підвищення кваліфікації інженерного персоналу машинобудівних підприємств і підприємств листопрокатного комплексу. Комп'ютерні системи захищено трьома свідоцтвами про реєстрацію авторського права на твір. Системи використовуються на підприємствах України, Росії, Німеччини, зокрема, НКМЗ, ІЧМ, НЛМК, Зундвіг (Німеччина).

4. З використанням розроблених комп'ютерних систем визначені або уточнені раціональні значення принципових параметрів обладнання станів, що модернізуються і нових станів, включаючи реверсивний стан для прокатки висококремнистої електротехнічної сталі НЛМК (максимальний крутний момент і потужність привода, діаметр опорних валків, максимальна швидкість прокатки).

5. На основі розроблених комп'ютерних систем і методів експериментальних досліджень розроблена методологія науково-технічних аудитів листопрокатних станів. У результаті проведення науково-технічних аудитів систем охолодження валків ШСГП 2000 (ММК), 2000 (НЛМК) і подачі ЗОР у кліті БСХП 1400 (НЛМК) розроблені пропозиції по підвищенню їх ефективності, які реалізовані в промислових умовах.

6. На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблені й впроваджені у виробничу практику нові технічні рішення, технологічні й організаційні заходи, що забезпечили підвищення площинності штаб, стабільності процесу прокатки й продуктивності станів. В їх числі:

- нові методи й способи створення умов, при яких управління площинністю штаб, що прокатуються, найбільш ефективно (патенти Російської Федерації (РФ) 2190488, 2190489, 2212962, 2212963, 2225272); підвищена ефективність регулювання площинності штаб селективним охолодженням валків, за рахунок чого були освоєні нові види продукції;

- нові способи холодної прокатки штаб у багатоклітьовому стані, що забезпечили збільшення середньої швидкості прокатки без виникнення резонансної вібрації стана (патенти РФ 2212289 і 2338609);

- новий пристрій регулювання площинності штаб (патент РФ 2211102), що дозволило підвищити точність регулювання й площинність готових штаб;

- спосіб виробництва рулонного штабового прокату (патент РФ 2236917), що забезпечив за рахунок зниження температури штаб при змотуванні їх у рулони термічне розвантаження рулонів у ковпаковій печі й зниження ймовірності зварювання витків у ході відпалювання.

Технологічні розробки забезпечені відповідною нормативно-технічною документацією, відповідно до якої розроблені рішення можуть бути використані на листопрокатних комплексах.

Особистий внесок здобувача. У результатах досліджень, матеріали яких опубліковані в співавторстві, автором дисертації здійснені: постановка науково-технічних завдань; розробка методів їх розв'язання; отримання даних, їх аналіз і узагальнення результатів; планування й аналіз експериментів; участь у розробці нормативно-технічної документації й впровадженні розробок у практику. При створенні спеціалізованих комп'ютерних систем і систем управління якістю листопрокатної продукції автор формулював проблему й завдання, керував побудовою структури, відпрацьовуванням запропонованих ним методів і розроблених алгоритмів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи повідомлені, обговорені й схвалені на міжнародній конференції "Металургійне, прокатне й ковальсько-пресове обладнання виробництва АТ НКМЗ. Перспективи розвитку" (м. Краматорськ, 1996 р.); VI міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування й техносфера на рубежі ХХ століття" (м. Севастополь, 1999 р.); 3-м, 4-м, 5-м, 6-м і 7-м Конгресах прокатників в 1999 р. (м. Липецьк), 2001 (м. Магнітогорськ), 2003 (м. Череповець), 2005 (м. Липецьк), 2007 (м. Москва) роках, відповідно; міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів" (Дніпропетровськ, 2000 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Теорія й практика виробництва прокату" (м. Липецьк, 2001 р.); науково-технічних конференціях "Нові досягнення й перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском" (м. Краматорськ, 2001, 2003 р.); науково-технічній конференції "Матеріали й покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва й утилізації виробів" (м. Кацивелі-Понізовка, 2002 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів", присвяченій 100-річчю від дня народження академіка О. П.Чекмарьова (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Теорія й практика виробництва прокату" (м. Липецьк, 2005 р.); тринадцятій щорічній міжнародній конференції "Сучасні методи й засоби неруйнуючого контролю й технічної діагностики" (м. Ялта, 2005 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Наукові новини. Сучасні проблеми металургії. Пластична деформація металів" (м. Дніпропетровськ, 2005 р.); науково-технічній конференції "Вібрація машин. Вимір, зниження, захист" (м. Донецьк, 2005 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Вібрації в прокатних станах" (м. Лондон, 2006 р.); міжнародній науково-практичній конференції "ІНТЕХМЕТ-2008. Інноваційні досягнення й рішення для вдосконалювання технологічних процесів на підприємствах гірничо-металургійного комплексу" (м. Санкт-Петербург, 2008 р.); технічних радах дослідницького й іспитового Інституту Східно-Словацького металургійного комбінату (м. Кошице, Словаччина, 1997 р.), проектно-конструкторських і виробничих підприємств "Фрьолінг" (м. Ольпе, Німеччина, 2001 р.), "Даніелі" (м. Бутріо, Італія, 2001 р.), "Лехлер" (м. Метзінген, Німеччина, 2004 р.), "Зундвіг" (м. Хемер, Німеччина, 2007 р.); об'єднаному семінарі кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України, і прокатних відділів Інституту чорної металургії ім. З. І. Некрасова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ, 2007 р.), розширеному науковому семінарі кафедри "Автоматизовані металургійні машини й устаткування" Донбаської державної машинобудівної академії (м. Краматорськ, 2007 р.), розширеному науковому семінарі кафедри "Обробка металів тиском" Донецького національного технічного університету (м. Донецьк, 2010 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 71 наукова праця. Основні результати дисертації опубліковані у 63-х наукових роботах, у тому числі 1-й монографії, 22 статтях наукових журналів, 4 статтях збірників наукових праць, 13 статтях збірників праць науково-технічних конференцій і конгресів, 8 авторських свідоцтвах СРСР, 9 патентах РФ. Без співавторів опублікована одна стаття. У фахових наукових виданнях, включених до переліку ВАК України, опубліковано 28 статей.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 281 найменуванням та 6 додатків. Повний обсяг роботи складає: 460 сторінок, загальний обсяг - 300 сторінок. Додатки - окрема книга на 313 сторінках. У розділах дисертації наявні 170 рисунків і 35 таблиць, розміщених на окремих 131 сторінках.

Основний зміст роботи

У першому розділі "Технології, обладнання й методи розрахунків процесів виробництва холоднокатаних штаб (стан питання), вибір напрямку дослідження" викладений аналіз існуючих технологій, обладнання й методів розрахунків параметрів процесів виробництва холоднокатаних штаб, сформульовані напрямки й завдання дослідження. В існуючих методах виміру й розрахунків параметрів процесів, технологіях масового виробництва холоднокатаних штаб на високошвидкісних станах не враховуються повною мірою закономірності впливу температурних і динамічних ефектів, факторів стабільності на показники якості штаб. Тому основний напрямок дослідження полягає у вивченні: впливу температурних ефектів у процесах виробництва холоднокатаних штаб, при формуванні площинності й стану поверхні холоднокатаного штабового прокату; впливу стабільності й динаміки високошвидкісних процесів виробництва холоднокатаних штаб на їхню площинність, стан поверхні й продуктивність. На основі виконаного аналізу сформульовані завдання й шляхи розвитку технології, методів розрахунків і управління параметрами процесів виробництва холоднокатаних штаб з високою площинністю та якісної поверхнею.

У другому розділі "Розвиток методів розрахунків і оптимізації параметрів процесів виробництва холоднокатаних штаб" представлені наступні елементи розвитку методів розрахунку.

Напруження течії металу при холодній прокатці. Для визначення напруження течії сталей і сплавів використовуються різні установки, що дозволяють моделювати умови деформації штаб на діючих листопрокатних станах в широкому діапазоні зміни швидкості (наприклад, пластометр і установка Гопкінсона). Різна дискретизація одержуваних даних викликає утруднення їх об'єднання в єдиний масив. Статистична обробка "розмиває" експериментальні дані, що існують в обмеженій кількості і носять немонотонних характер. Зокрема, зміна реологічних властивостей електротехнічних сталей високих груп легування в умовах холодної прокатки штаб має досить складний характер. Описати ці закономірності функціями певного виду неможливо. Кожний із коефіцієнтів, що виражає вплив одного фактора, залежить від двох інших.

Якщо уявити собі паралелепіпед, на осях якого з певною дискретністю, відповідною до умов випробувань, відкладені значення ступеня, температури й швидкості деформації, а у вузлах отриманої "решітка" записані експериментальні значення напруження течії, то організовані подібним чином експериментальні дані будуть основою моделі. Значення напруження течії в будь-якому невеликому обсязі між площинами, що проходять через вузли з експериментальними даними, можуть бути знайдені методами тривимірної лінійної, квадратичної або кубічної інтерполяції. Схема обчислення значення функції в точці (X, UX, TX) по 8-ми сусідніми з нею точках реалізована послідовністю 7-ми інтерполяцій.

Експериментальні дані, отримані на різних установках при різних умовах випробувань, необхідно поєднувати, але у зв'язку з різною дискретизацією змінних при об'єднанні таких даних в один масив в області визначення функції =f(,U,T) виникає безліч точок, у яких значення функції невідомі. У більшості випадків функція в цих точках може бути відновлена за вже відомими значеннями. Інтерполюючи по кожній парі точок, можна одержати різні значення функції, тому остаточний вибір пари для обчислення функції проводиться, виходячи з умов: 1) значення функції в обох точках повинно бути відоме; 2) для кожної пари обчислюється параметр К;

3) для пари (0;1) K=T1-T0/TK, для пари (0;1) K=3-2/n, для пари (4;5) K=U5-U4/Um. Вибирається пара, для якої значення К мінімальне.

Коефіцієнт тертя при холодній прокатці. Запропонований метод і реалізований алгоритм розрахунків коефіцієнта тертя при холодній прокатці штаб на основі відомих компонентів емпіричних залежностей впливу факторів: типу емульсолу, швидкості прокатки, в'язкості емульсолу, концентрації, температури й захоплюваності емульсії, що залежить від кута гідродинамічного клина, шорсткості поверхні валків, штаби, тиску у вхідному перетині ОД.

На основі запропонованої В.Л. Мазуром і В. І. Тимошенко теорії прокатки, що враховує гідродинамічні ефекти змащення, побудовано універсальний алгоритм розрахунків коефіцієнта напіврідинного тертя в умовах прокатки з малими й більшими обтисненнями в гладких і шорсткуватих валках. Оцінені закономірності зміни коефіцієнта тертя залежно від визначальних факторів прокатки - швидкості, ступеня деформації, шорсткості поверхні валків і штаби, температури й в'язкості змащення. Розв'язок передбачає одночасний розрахунок шорсткості поверхні прокатуваної штаби й визначення співвідношення ділянок граничного й рідинного тертя в ОД, як фактора повноти контакту валків і штаби в ОД.

Температура штаби в ОД. Удосконалено метод розрахунків температури штаби в ОД. Крім роботи деформації й роботи сил контактного тертя додатково врахована теплопередача від штаби до валків через шар мастила, що є термічним опором в ОД. Установлено вплив повноти контакту валків і штаби в ОД на температуру робочих валків і штаби. При зміні швидкості прокатки конкуруюче-випереджальний (у порівнянні з фактором повноти контакту) вплив на температуру штаби виявляє коефіцієнт тертя. Встановлено також вплив некруглої форми дуги контакту в ОД на температуру штаби.

Температура валків. Установлено, що використання відомих методів розрахунків середньомасової температури шорсткуватих робочих валків при холодній прокатці з малими обтисненнями в останній кліті безперервного стана викликає істотні погрішності. Вплив шорсткості поверхні валків на їхню температуру проявляється в одночасному комплексному впливі тепловиділення від роботи сил тертя, теплообміну між штабою й валками, а також охолодження валків емульсією. Теоретично встановлений і експериментально підтверджений вплив повноти контакту штаби й валків в ОД на коефіцієнт контактного теплообміну як окремого фактора. Її збільшення викликає зменшення температури штаби й збільшення температури валків на виході з ОД внаслідок інтенсифікації теплообміну з робочими валками, що мають нижчу температуру. Уточнена в такий спосіб модель теплообміну в ОД за інших відомих умов, а також уточнені фактичні параметри й топографія зрошення валків, забезпечили підвищення точності розрахунків температури валків від 35 до 2,5 С в усіх клітях безперервного стану. Необхідна поправка до коефіцієнта контактного теплообміну описується відношенням площі ділянок граничного тертя до загальної площі контакту зі змішаним тертям. Це відношення приблизно відповідає відношенню коефіцієнта напіврідинного тертя до коефіцієнта граничного тертя при прокатці.

Моделі процесів прокатки. Удосконалена й реалізована в комп'ютерній системі чисельна математична модель процесу холодної прокатки, що враховує некруглу форму дуги контакту, еліптичні зони пружного стиску на вході й відновлення валків і штаби на виході з ОД. Відмінними ознаками розробленого методу розрахунків контактних напруг є розв'язок основного диференціального рівняння прокатки в поздовжніх напругах, що справедливо як для зони пластичної деформації, так і пружних або пружно-пластичних зон в ОД. Для розрахунків крутного моменту на валках визначаються складові моменту сил, що діють в ОД щодо миттєвого центру обертання валків, який розташований на дузі контакту валка й штаби в точці перетину цієї дуги із прямою лінією, що з'єднує фактичні центри обертання робочих валків. Такий підхід дозволяє врахувати вплив некруглої форми дуги контакту з ділянкою практично незмінної товщини штаби в ОД. Цей, а також енергетичний підхід дозволяють моделювати відомий ефект зниження моменту прокатки зі зменшенням товщини штаби в умовах зростання сили прокатки. Виходячи з енергетичного підходу до визначення моменту прокатки: М=RhS(E,+EТ+EН), де R радіус валка, h товщина штаби, S випередження, EД,EТ,EН - відповідно, енергія деформації, сил тертя й результуючої сил натягу. За інших рівних умов формування в ОД зони практично незмінної товщини штаби знижує інтегральну енергію сил тертя. Це дозволяє визначати умови ефективного здійснення процесу прокатки з мінімальним моментом, який є чинником питомої енергоємності процесу.

Розроблено метод і алгоритм адаптації моделі процесу холодної прокатки (по параметрах: сила, момент прокатки й випередження S), що відрізняються етапами виконання процедури. На першому етапі визначають поправку до середнього тиску в ОД, а на другому етапі застосовують перше поправку й визначають поправки до коефіцієнта прикладання рівнодіючої сили в ОД, а також до величини (0,1+S). Переваги використання параметра, що адаптується (0,1+S), полягають у забезпеченні можливості адаптації величини випередження у випадках його негативних значень або близьких до нуля (у порівнянні з параметром S), а також у підвищенні точності адаптації в порівнянні з параметром (1+S).

Розроблено новий метод і алгоритм розрахунків проміжних товщин і міжклітьових натягів по параметрах настроювання безперервного стана. Ідея методу полягає у визначенні таких величин товщини й натягу, при яких розрахункові параметри настроювання безперервного стана збігаються із заданими. У якості початкових умов прийняті натяги на вході в стан і виході з нього, секундна витрата металу й параметри настроювання стана. Метод припускає використання нелінійних моделей і алгоритмів розрахунків параметрів процесу прокатки, включаючи чисельні моделі.

Алгоритм передбачає етапи розрахунків.

1. Виходячи з відомих початкової товщини й швидкості штаби на вході в стан, задають орієнтовні товщини штаби на виході кожної i-тої кліті, міжклітьові натяги й потім розраховують силові й кінематичні параметри процесу прокатки в кожній кліті, а також відповідні параметри настроювання стану (внутрішній ітераційний контур).

2. Порівнюють розраховані параметри настроювання стану із заданими й коректують при спочатку заданих міжклітьових натягах товщини штаби й пропускні здатності клітей у функції відношення заданої швидкості валків vз до розрахункової vр

, (1)

де vh пропускна здатність на попередньому кроці (спочатку дорівнює заданій, однаковій для всіх клітей); ky коефіцієнт релаксації (у першому наближенні приймається рівним 0,5). При цьому ступінь деформації коригують по залежності

, (2)

де ступінь деформації на попередньому кроці; kc коефіцієнт корекції, що для першої кліті визначають за формулою

,(3)

а для послідуючих клітей за формулою

, (4)

де Sp, Sз відповідно, розрахункова й задана позиції натискних пристроїв; Pmax максимальна сила прокатки в кліті; Ск модуль жорсткості кліті. Обчислення другого етапу становлять середній ітераційний контур, у який вкладено перший.

3. Порівнюють розраховані секундні витрати по клітях. Для більш швидкого й точного рішення на заключному етапі визначають вплив заднього натягу на товщину штаби на виході й, відповідно, секундну витрату прокату. Збільшення заднього міжклітьового натягу Т для вирівнювання секундних витрат (швидкість штаби при відомій товщині на вході в стан є також величиною шуканою) обчислюють за залежністю

, (5)

де kt коефіцієнт підсилення (kt = 0,51,5); кут контакту валків зі штабою; нейтральний кут; рср необхідне збільшення середнього контактного тиску в ОД, що обчислюється за залежністю

, (6)

де vhp, vh секундна витрата на виході, відповідно, з попередньої й досліджуваної кліті; vp швидкість штаби на вході в кліть; В ширина штаби; lд довжина дуги контакту.

Обчислення третього етапу складають зовнішній ітераційний контур, що включає перші два. Обчислення припиняються за критерієм рівності секундних витрат по клітях із заданою точністю. Завдання не має рішення, якщо в ході розрахунку міжклітьові натяги або перевищили межу міцності штаби, або вийшли негативними.

Розроблена детерміновано-імовірнісна математична модель процесу безперервної холодної прокатки, що враховує найбільш значимі фактори нестабільності процесу прокатки (різнотовщинність штаби на вході, різноширинність, зміна хімічного складу сталі й, як наслідок, зміна напруження її течії, умови тертя при прокатці, як функцію концентрації, температури емульсії й шорсткості поверхні підкату, биття валків), а також транспортне запізнювання та закономірності роботи системи автоматичного регулювання товщини й натягу штаби. Модель дозволяє прогнозувати параметри нестабільності процесу безперервної прокатки, відпрацьовувати алгоритми управління процесом, а також прогнозувати різнотовщинність штаб, що прокатуються.