Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ СОРТОВОГО ПРОКАТУ З БЕЗПЕРЕРВНОЛИТОЇ СТАЛІ І ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.03.05 - “Процеси та машини обробки тиском”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

СМИРНОВ ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.771.65:621.74.047

Донецьк-2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

мІНАЄВ олександр Анатолійович

Державний вищий навчальний заклад “Донецький національний технічний університет” (м.Донецьк),

завідувач кафедри “Обробка металів тиском”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с.,

член-кореспондент НАН України

гогаєв Казбек Олександрович

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України (м. Київ), завідувач відділу

диспергування матеріалів та пластичної

деформації прокатуванням;

доктор технічних наук, професор

Ніколаєв Віктор Олександрович

Запорізька державна інженерна академія (м. Запоріжжя), професор кафедри

“Обробка металів тиском”;

доктор технічних наук, професор

САТОНІН Олександр Володимирович

Донбаська державна машинобудівна академія

(м. Краматорськ), професор кафедри

“Автоматизовані металургійні машини і обладнання”.

Захист відбудеться 25 червня 2009 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, навчальний 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, навчальний корпус.

Автореферат розісланий 20 травня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 11.052.01, д.т.н., проф. Яковченко О.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Збільшення обсягів виробництва і споживання сталевого прокату на межі тисячоліть пов'язане із загальним зростанням промислового виробництва у світі. Характерною особливістю розглянутого періоду є те, що збільшення обсягів виробництва металопрокату з безперервнолитої сталі здійснювалося темпами, що випереджають збільшення обсягів її виробництва. Так, з 1994 року по 2005 рік обсяг сталі, що розливається безперервним способом, зріс із 528 млн. тонн до 1022 млн. тонн, тобто в 1,94 раза, а виплавлення сталі - з 729 млн. тонн до 1140 млн. тонн, тобто в 1,56 раза.

В Україні зазначена тенденція виявилася в тому, що введення нових потужностей з безперервного розливання, яке здійснено за останнє десятиліття, дозволило довести обсяг конвертерної та електропічної сталей, які розливаються цим способом, до 61,7% або 22,2 млн. тонн (у 1999 році - не більше, ніж 36%). У той же час частка мартенівської сталі, яка розливається у зливки, залишилась надто високою і склала 42,8% (17,5 млн. т), а питомий обсяг сталі, яка розливається безперервним способом, склав лише 54,3%.

Негативним наслідком такого станововища стало те, що більш жорстка конкуренція на світових ринках змусила українських виробників експортувати практично весь обсяг сортової безперервнолитої заготовки, що є найбільш конкурентоспроможним видом металопрокату. У той же час питома вага сортового прокату з безперервнолитого металу в загальному його обсязі залишилася практично такою ж, оскільки металургійні заводи змушені виготовляти продукцію з більш дорогої заготовки, яка виробляється за традиційною схемою зливкової переробки. Це призводить до зниження як конкурентоспроможності, так і рентабельності виробництва.

Як свідчить світова практика, виправлення подібного роду диспропорції базується на створенні нових технологічних схем виробництва в межах структурно вертикально-інтегрованих холдингів. У цьому випадку виникає можливість сполучення у межах технологічної системи „Сталь - Прокат - Металопродукція”, створюваної на основі одного або декількох підприємств, окремих інноваційних технологічних елементів або схем і, відповідно, підвищення якості металопрокату.

В Україні зазначений підхід знаходиться на початковій стадії практичного використання за цілим рядом обставин:

По-перше, українські металургійні холдинги на основі декількох металургійних підприємств почали формуватися тільки на початку нового тисячоліття.

По-друге, через наявность окремих фрагментарних елементів сполучення й інтеграції неможливо здійснити всебічну комплексну оцінку результатів реалізації сполученої технології з точки зору якості кінцевого сортового металопрокату й виробів із нього (у першу чергу ґалузевого призначення для суднобудування, вагонобудування тощо), яка досягається, спираючись на вимоги провідних світових незалежних Класифікаційних товариств.

По-третє, відсутні як наскрізні системи технологічного проектування процесів виробництва готового сортового прокату й виробів із нього, так й інноваційні моделі технологічного забезпечення управління їх якістю, засновані на заміні гарячекатаної переробної заготовки на ту, яка отримана з безперервнолитого металу.

По-четверте, в наш час недостатньо розкриті резерви механізмів управління якістю безперервнолитого зливка й підкату з нього, засновані на принципах обробки металів тиском. Перш за все, це належить до етапів безперервного розливання сталі (деформування на стадії неповної кристалізації) і прокатки безперервнолитих заготовок в обтискних клітях.

Таким чином, ключовою ланкою технологічного забезпечення управління якістю сортового прокату з безперервнолитої сталі повинні стати процеси обробки металів тиском, які, по-перше, сполучаючись із процесом безперервного розливання, дозволяють широко управляти якістю отримуваних безперервнолитих зливків і підкатів із них і, по-друге, визначають якісно новий рівень вимог до всіх інноваційних елементів, що заносяться до знов створюваної технологічної системи „Сталь - Прокат - Металопродукція”.

Викладене дозволяє зробити висновок про актуальність комплексних досліджень процесів управління якістю металопродукції у межах системи „Сталь - Прокат - Металопродукція” на основі нових механізмів пластичної деформації безперервнолитого металу на стадії неповної кристалізації й створення технологічних схем виробництва сортового прокату з безперервнолитої сталі, що забезпечують підвищення конкурентоспроможності як за рахунок гарантованих показників якості, так і менших матеріальних та енергетичних витрат виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати роботи спрямовані на вирішення завдань, поставлених у Державній програмі розвитку й реформування гірничо-металургійного комплексу України на період до 2011 року й у Програмі науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020 року (постанова обласної Ради від 22.03.2002 р., номер 3/25-656).

Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов'язана з науковим напрямком кафедри “Обробка металів тиском” Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет”: “Розробка і засвоєння ресурсозберігаючих технологій виробництва листового й сортового прокату”. Базовими для дисертації стали науково-дослідні роботи: “Розвиток теоретичних основ ресурсозберігаючих технологій виробництва листового й сортового прокату” (номер державної реєстрації 0103U008069); “Узагальнення та подальший розвиток теоретичних основ ресурсозберігаючих технологій виробництва листового й сортового прокату та залізничних коліс” (номер державної реєстрації 0103U002203); “Розвиток наукових основ діагностики формування макро- та мікродефектів безперервнолитої заготовки з метою підвищення її конкурентоспроможності” (номер державної реєстрації 0103U001425). Автор дисертації - виконавець робіт.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення технології виробництва й підвищення якості сортового прокату з безперервнолитої сталі для вугледобувної ґалузі, вугільного машинобудування, суднобудування й вагонобудування до рівня, який не поступається кращим закордонним аналогам, на основі розвитку і практичної реалізації елементів багаторівневого технологічного забезпечення управління якістю металовиробів у системі „Сталь - Прокат - Металопродукція”.

Застосування процесів ОМТ як ключової ланки рівневих елементів управління якістю сортового прокату з безперервнолитої сталі визначає сукупність вимог до всіх інших інноваційних складових, занесених до знов створюваної технологічної системи „Сталь - Прокат - Металопродукція”: виплавляння і безперервного розливання сталі, прокатки, термообробки. Удосконалення технології виробництва, орієнтоване на підвищення якості сортового прокату з безперервнолитої сталі для вугледобувної ґалузі, вугільного машинобудування, суднобудування і вагонобудування, на основі розвитку й практичної реалізації рівневих елементів управління якістю металовиробів, заснованих на принципах ОМТ, являє собою комплексну науково-технічну проблему, вирішення якої вимагає проведення досліджень і розробок за всіма елементами системи „Сталь - Прокат - Металопродукція”. Враховуючи цю обставину, в роботі сформульовані наступні завдання дослідження:

1. На основі подальшого розвитку методологічних підходів до інноваційного проектування інтегрованих технологій виробництва сортового прокату з безперервнолитої сталі розробити моделі операційного подання процесу в системі „Сталь - Прокат - Металопродукція” і технологічного забезпечення управління якістю металопродукції відповідно до умов наскрізної вертикально-інтегрованої системи, а також запропонувати стратегію їх реалізації.

2. Спираючись на аналіз прогресивних тенденцій розвитку технологій отримання довгомірного сортового прокату для вугледобувної ґалузі, вугільного машинобудування, суднобудування і вагонобудування, науково обґрунтувати подальше вдосконалення утворюючих зв'язків елементів системи „Сталь - Прокат - Металопродукція” і запропонувати новий варіант технологічної схеми, що забезпечує економію матеріальних ресурсів, а також покращення якості продукції.

3. Вивчити фізико-геометричний і напружено-деформований стан (НДС) металу безперервнолитих блюмів під час його пружнопластичного деформування на стадії неповної кристалізації.

4. Науково обґрунтувати, розробити та експериментально підтвердити доцільність застосування нових методів фізичного моделювання процесів управління параметрами макроструктури і технологічними властивостями безперервнолитого зливка під час пружнопластичного деформування металу на стадії неповної кристалізації.

5. На основі методів фізичного моделювання дослідити особливості формозміни безперервнолитих блюмів і НДС металу на вільній від контакту поверхні під час пружнопластичного деформування на стадії неповної кристалізації, а також безперервнолитих сортових заготовок у прямокутному калібрі.

6. На основі подальшого розвитку комбінованого Ейлерово-Лагранжевого методу (КЕЛ-методу) вивчити особливості течії металу під час пружнопластичного деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації.

7. На основі отриманих результатів удосконалити технологічні процеси отримання довгомірного сортового прокату ґалузевого і загального призначення з безперервнолитої сталі, виконати їх дослідно-промислове засвоєння і впровадити у виробництво.

Об'єкт дослідження. Технологічні процеси виробництва й управління якістю довгомірного сортового прокату ґалузевого і загального призначення з безперервнолитої сталі.

Предмет дослідження. Елементи багаторівневого управління якістю металовиробів у технологічній системі „Сталь - Прокат - Металопродукція”. Закономірності об'ємної течії металу, технологічні параметри процесу деформування та їх вплив на його макро- і мікроструктуру. Методи адекватного визначення НДС металу. Технологічні схеми виробництва довгомірного сортового прокату з безперервнолитої сталі.

Методи дослідження. Промислові дослідження показників якості металопродукції, математичне і фізичне моделювання процесів прокатки виконані з урахуванням основних положень теорії ОМТ, теорії пластичності, фізики твердого тіла, механіки суцільних середовищ і теорії теплопровідності. Використані методи кінцевих елементів і планування експерименту, а також експериментальні методи механіки твердих деформованих тіл. Експериментальні дослідження процесів деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації і прокатки безперервнолитих заготовок виконані на лабораторних прокатних станах 100 і 200, а також на спеціально створених експериментальних установках кафедри “Обробка металів тиском” ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”. Під час досліджень використані сучасні прилади контролю температурних умов обробки металів і моделювальних матеріалів, мікроскоп для вивчення мікроструктури металу, розривна машина, маятниковий копер і твердомір для оцінки механічних властивостей металів, тензометрична апаратура. Для моделювання процесів ОМТ і статистичної обробки даних використані ПЕОМ.

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

1. Отримали подальший розвиток методологічні основи інноваційного проектування технології виробництва і модель технологічного забезпечення якості металопрокату з безперервнолитої сталі.

Розробка відрізняється комплексним урахуванням сумісного впливу параметрів фізико-геометричного стану розкату і процесу деформування на течію металу в осередку деформації і динаміку формування небезпечних для його цілісності напружень на етапах технологічної системи „Сталь - Прокат - Металопродукція”. Обґрунтована нова вертикально-інтегрована схема виробництва великосортного прокату ґалузевого призначення, яка забезпечує економію матеріальних ресурсів не меншу, ніж 15%.

2. Вперше розроблені методи моделювання і проведення експериментальних досліджень процесу деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації з використанням універсальних фізичних моделей.

Методи характеризуються уточненим відтворенням у моделі теплового стану натурного блюма, що кристалізується, і, в першу чергу, в об'ємі закристалізованої складової, що деформується, шляхом реалізації динамічного процесу формування в ній температурного градієнта. Це дозволило: уточнити складові механізму підживлення осьових пустот блюма, що кристалізується, рідким металом під дією пластичної деформації, а саме феростатичний тиск і розрідження , яке виникає внаслідок ефекту пружинення закристалізованої складової блюма після знімання навантаження; підтвердити, що збільшення температурного градієнта у закристалізованій складовій блюма обумовлює характер течії металу в осередку деформації, властивий процесу прокатки особливо високих штаб; виявити, що сумісний вплив керуючих факторів, які характеризують величину температурного градієнта , співвідношення рідкої і твердої фаз у поперечному перерізі блюма АF і ступінь відносної деформації у дослідженому діапазоні значень (=0,025…0,08, АF=0,082…0,114, =0,254…0,346), визначає наявність області раціонального поєднання їх значень, у межах якої досягається ефективність реалізації механізму управління якістю безперервнолитого блюма, близька до максимальної Кеф.=10,5%.

3. Вперше встановлені закономірності формування напружено-деформованого стану металу в різних зонах фактичного осередку деформації, в тому числі і на бічній грані безперервнолитого блюма, під час пружно-пластичного деформування на стадії неповної кристалізації.

Враховано вплив нерівномірності течії металу в контактній зоні осередку деформації і на бічній грані безперервнолитого блюма, обумовленої наявністю температурного градієнта у закристалізованій складовій і співвідношенням площ твердої і рідко-твердої фаз у його поперечному перерізі, на утворення у вказаних областях небезпечних напружень, які призводять до втрати суцільності на зовнішній або внутрішній границі. Установлено, що на внутрішній границі закристалізованої складової безперервнолитого блюма з низьколегованих сталей величина разового обтиснення i не повинна перевищувати 0,5%. На зовнішній границі закристалізованої складової виникнення порушень суцільності можливе у кутових ділянках (2yi /Hбл=0,82) лише на пізніх стадіях реалізації процесу (АF=0,082) при =0,08 і =0,254, а у проміжних шарах (2yi /Hбл=0,52) - протягом усього діапазону значень факторів АF і при =0,025…0,055. Ці результати дозволяють визначити раціональні технологічні параметри процесу деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації з точки зору створення напруженого стану, сприятливого для забезпечення високої якості металу.

4. Отримали подальший розвиток методи дослідження НДС металу й уявлення щодо закономірностей проникнення деформації у внутрішні зони фактичного осередку деформації під час пружно-пластичного деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації.

Відмінність від існуючих методів досліджень полягає у використанні удосконаленого підходу до визначення характеристик НДС у вертикально-поздовжній площині симетрії фактичного осередку деформації за результатами обмірювання деформованої координатної сітки недокатів, який дозволяє підвищити точність розрахунку кінематичних і статичних параметрів пластичної формозміни металу, що деформується. Точність підвищена як за рахунок отримання значення частинної похідної fх безпосередньо з експерименту, без диференціювання, шляхом вимірювання кута нахилу б лінії течії Уi =const і подання його у вигляді fх (х, У) = tg б (х, У) = И (х, У), так і розрахування компонент тензора швидкостей деформації То через диференціювання компонент вектора швидкості течії металу Vx і Vy як складних функцій у комбінованому Ейлерово-Лагранжевому поданні. Дослідження дозволили: встановити, що спостерігається локалізація деформаційних процесів у шарах, розташованих від поверхні на відстані не більшій, ніж hi/(0,5Hбл)=0,358; показати, що причиною виникнення порушень суцільності у закристалізованій складовій блюма при ранньому прикладенні зовнішнього деформаційного впливу є додаткові розтяжні напруження, що виникають у зоні відставання внаслідок інтенсифікації поздовжніх деформацій ехх підповерхневих шарів hi/(0,5Hбл)=0,239; виявити, що зниження важливості зсувних деформацій еху у процесі руйнування виникаючих осьових закристалізованих перемичок обумовлено зміщенням максимуму їх інтенсивності у найбільш віддалені від межі кристалізації шари. Виявлені закономірності стали основою для створення нового способу обтиснення безперервнолитих блюмів і заготовок на стадії неповної кристалізації.

5. Вперше експериментально встановлено взаємооднозначну відповідність між залежностями осьової пористості безперервнолитих зливків і питомого електроопору металу від величини сумарної витяжки, що має місто в процесі деформування.

Експериментальні результати характеризуються урахуванням впливу виду початкової осьової пористості металу, яка визначається кількістю, формою і розмірами окремих складових і характеризується критерієм К, що являє собою відношення питомого електроопору фізичної моделі із заданою початковою структурою осьової пористості зр. до питомого електроопору еталонної моделі з литою структурою ет.зр., а також принципом реєстрації динаміки її поведінки в процесі прокатки, заснованим на вимірі питомого опору деформованої частини фізичної моделі. Встановлено, що в дослідженому діапазоні початкової осьової пористості К = 1,0…12,0 вид залежності зр. = f( ) набуває експоненціального характеру з вираженою границею насиченості, для досягнення якої необхідна все більша сумарна витяжка зі зростанням величини К. Ці результати дозволили обґрунтувати схеми деформування безперервнолитих блюмів і заготовок у калібрах обтискних клітей, які спричиняють створення сприятливого для ущільнення осьової пористості виду напружено-деформованого стану металу.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені алгоритми моделювання теплового, фізико-геометричного і кінцевого напружено-деформованого станів безперервнолитих блюмів під час пружнопластичного деформування металу на стадії його неповної кристалізації.

Виконане комплексне дослідження впливу технологічних параметрів процесу деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації і прокатки безперервнолитих заготовок у прямокутних калібрах обтискних клітей на течію металу, НДС і динаміку поведінки осьових дефектів. Отримані результати дозволяють виконувати аналіз і вдосконалення використовуваних схем деформації, а також науково обґрунтувати нові схеми, які забезпечують прогнозоване управління якістю безперервнолитих блюмів і заготовок із можливістю запобігання утворенню тріщин на поверхні прокату.

Результати лабораторних і промислових експериментів використані під час розробки: технології виробництва переробної заготовки з низьколегованої сталі для суднобудування підвищеної категорії міцності А32 і D32 на ВАТ “Дніпровський металургійний комбінат ім. Ф. Дзержинського” (ВАТ “ДМКД”), сертифікованої відповідно до вимог Germanischer Lloyd і Det Norske Veritas (довідка про проведену роботу і використання отриманих результатів від 21.05.08 р. і 22.05.08 р. відповідно); технології виробництва великосортного прокату з безперервнолитої сталі для вугледобувної ґалузі, вугільного машинобудування, суднобудування, вагонобудування на ВАТ “Краматорський металургійний завод ім. В.Куйбишева” (акт упровадження результатів дисертаційної роботи від 29.12.04 р.); технологічних умов “Профіль планки замкових з'єднань металевого кріплення гірничих виробок ПЗС - 20” (ТУ У 27.1-00190319-1299-2003); способу прокатки безперервнолитих сортових заготовок, які мають переріз від 100 х 100 мм до 150 х 150 мм, при виробництві середньосортних профілів сталі арматурної періодичної за ДСТУ 3760-98 і ГОСТ 5781-82, сталі кутової рівнополичної за ГОСТ 8509-96 і сталі круглої за ГОСТ 2590-88 на ВАТ “Донецький металопрокатний завод” і ВАТ “Краматорський металургійний завод ім. В. Куйбишева” (акт упровадження результатів дисертаційної роботи від 06.01.04 р. і 29.12.04 р. відповідно); пропозицій для технічного завдання на проект реконструкції діючих блюмових МБЛЗ ВАТ “Дніпровський металургійний комбінат ім. Ф. Дзержинського” із заміною блоку тягнучих клітей на блок клітей для деформування на стадії неповної кристалізації (довідка інституту “Гіпросталь” від 15.05.08 р.). Розробки, виконані в дисертації, використовуються у навчальному процесі на кафедрі “Обробка металів тиском” ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” (акт використання у навчальному процесі від 16.05.08 р.).

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї досліджень належать автору дисертації. Створення нових технологічних схем, розробка технологій, методик досліджень, керівництво під час їх проведення, отримання результатів та їх аналіз виконані автором.

У розробці ряду технічних рішень та їх реалізації брали участь співробітники ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, НТЦ ЗАТ “Візаві”, ВАТ “КМЗ ім. В. Куйбишева”, ВАТ “ДМКД”, ЗАТ “НКМЗ” та інших підприємств, що знайшло відображення у спільних статтях, авторських свідоцтвах і патентах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації повідомлені й обговорені на наукових семінарах кафедри “Обробка металів тиском” ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” (м. Донецьк, 2003-2008 рр.), міжнародних конференціях і семінарах, у тому числі: проведених в Україні - “Донбас-2020: наука і техніка - виробництву”, Донецьк, 2002, 2008 рр.; “Теоретичні проблеми прокатного виробництва”, Дніпропетровськ, 2002 р.; “Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні”, Краматорськ: 2000, 2002 - 2007 рр.; “Машинобудування і техносфера ХХI століття”, Севастополь: 2003 - 2005 рр.; “Проблеми математичного моделювання”, Дніпродзержинськ, 2004 р.; “Енергоефективність крупного промислового регіону”, Донецьк, 2004 р.; “Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство”, Львів, 2007 р.; “Машини і пластична деформація металів ”, Запоріжжя, 2007 р.; проведених у країнах СНД - “Теорія і практика виробництва прокату ”, Липецьк, 2001, 2003 рр.; Конгрес прокатників: Москва, 2001 р., Череповець, 2003 р., Липецьк, 2005 р.; “Механіка і процеси управління ”, Єкатеринбург, 2003 р.; “Теорія і технологія процесів пластичної деформації - 2004”, Москва, 2004 р.; проведених у країнах Європейського Союзу і США: International conference metallurgy, refractories and environment, Slovakia - 2002, 2004 рр.; International Metallurgical & Materials conference “METAL”, Ostrava, Czech Republic: 2001 - 2004, 2006 рр.; 11-th International conference on Continuous Сasting of Steel, Poland, 2004 р.; 8-th International Conference on “Numerical Methods in Industrial Forming Processes”, USA, Columbus, Ohio, 2004р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 43 наукових роботах, у тому числі 14 статтях наукових журналів, 24 статтях збірників наукових праць, 1 авторському свідоцтві СРСР, 4 патентах України. Без співавторів опубліковано 4 статті. У фахових наукових виданнях, включених до переліку ВАК України, опубліковано 30 статей.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 268 найменувань та 17 додатків. Повний обсяг роботи складає 577 сторінок, загальний обсяг - 291 сторінку. У розділах дисертації наявні 117 рисунків і 52 таблиці, у тому числі 98 рисунків і 44 таблиці, розміщених на окремих 116 сторінках.

Основний зміст роботи

У першому розділі “Вплив рівня розвитку технологічного процесу на якість і конкурентоспроможність сортового прокату” розглянуто сучасний стан питання у частині умов експлуатації і вимог до якості великосортного металопрокату для вугледобувної ґалузі, вугільного машинобудування, суднобудування і вагонобудування, що використовується у подальшому для виготовлення конструкцій відповідального призначення. Визначені перспективні напрямки підвищення його характеристик якості за вимогами провідних світових Класифікаційних товариств.

Показано, що до групи найбільш вагомих негативних зовнішніх впливів, які, з одного боку, роблять правомочним застосування до даного металопрокату поняття “Відповідальне призначення”, а з іншого - визначають рівень вимог до його якості, необхідно включати: постійні динамічні і знакозмінні силові навантаження значної величини; суттєві температурні впливи, в тому числі і при температурах значно нижчих за нуль (нижчих за -500С); підвищену вологість атмосфери (особливо у морських умовах) і забрудненість у промислових регіонах.

З огляду на сказане вище, основними факторами, які визначають здатність металопрокату протягом тривалого часу витримувати негативні впливи, є: металургійна якість сталі, яка характеризується ступенем її хімічної і структурної неоднорідності; міцнісні характеристики. За кордоном вони забезпечуються за рахунок використання сучасних, оптимізованих як із точки зору витрати матеріальних та енергетичних ресурсів, так і рівня параметрів якості, що досягаються, технологічних схем, у тому числі і створених на базі декількох підприємств, які входять до складу структурно вертикально-інтегрованих металургійних холдингів. Такий підхід створює умови для оперативного інтегрування окремих інноваційних технологічних елементів або прийомів у знову створювану систему “Сталь - Прокат - Металопродукція” у межах єдиної моделі управління якістю металопрокату.

У третьому розділі “Вибір об'єктів, реалізація і підвищення ефективності технологічної схеми виробництва великосортного прокату з безперервнолитої сталі” стосовно до умов українських металургійних холдингів, які розвиваються, подане наукове обґрунтування інтегруванню їх інноваційних переробок у нову технологічну систему “Сталь - Прокат - Металопродукція”. Також здійснений вибір підприємств, до складу яких належать високоефективні інноваційні технологічні переробки: рівень технологічних зв'язків “Сталь” - виплавляння у великовантажних кисневих конвертерах, позапічна обробка і розкиснення комплексними феросплавами, розливання безперервним способом, виробництво переробної заготовки з безперервнолитої сталі - ВАТ “ДМКД”; рівень технологічних зв'язків “Прокат” - контрольована прокатка великосортних профілів ґалузевого призначення - ВАТ “КМЗ ім. В.Куйбишева”; рівень технологічних зв'язків “Металопродукція” - термічна обробка металовиробів з окремого нагрівання - ВАТ “Енергомашспецсталь”.

Таблиця 1

Показники макроструктури заготовки перерізом 170?170 мм з безперервнолитої суднобудівної сталі категорії А32 (D32)

Показано, що через наявність у структурі українських металургійних холдингів, які почали формуватися тільки на початку нового тисячоліття, лише окремих фрагментарних елементів технологічної інтеграції, неможливо здійснити всебічну практичну оцінку її результатів із точки зору рівня якості кінцевого металопрокату, який досягається. У цьому випадку інтегровані технології також вимагають розробки моделей технологічного забезпечення управління якістю прокату , які засновуються як на принципах заміни гарячекатаної переробної заготовки зливкової переробки на отриману з безперервнолитої сталі, так і на механізмах управління , розроблених із використанням принципів ОМТ і які реалізуються на ранніх етапах технологічної системи “Сталь - Прокат - Металопродукція”. Проведений аналіз наявних даних дозволив зробити висновки, що стосовно до умов деформування безперервнолитих блюмів і сортових заготовок (стадія неповної кристалізації, перші проходи обтискних клітей тощо) відсутні методики щодо комплексного проведення досліджень (паралельно на основі математичного і фізичного моделювання), а також результати зіставної оцінки впливу конструктивних, технологічних і фізико-механічних параметрів на якість виробів та ефективність реалізованого зовнішнього впливу, отримані різними методами. Викладене підкреслює актуальність комплексних досліджень у даних напрямках, а також дозволило сформулювати мету і задачі досліджень, наведені у загальній характеристиці роботи.

У другому розділі “Розвиток методологічних основ інноваційного стратегічного управління технологією виробництва і якістю прокату з безперервнолитої сталі” показано, що в основу методологічного підходу, який отримав подальший розвиток, покладена тенденція еволюційного розвитку металургійних технологій, яка виявляється в тому, що кожна з них проходить як періоди диференціювання на окремі найпростіші операції, так і наступні подальші етапи об'єднання у безперервні або дискретно-безперервні процеси. Особливо визначається сучасний погляд на якість як на процес, який дозволяє використовувати його у вигляді динамічної характеристики багатьох предметів, явищ і процесів. Стосовно до системи “Сталь - Прокат - Металопродукція” вся технологія виробництва може бути подана у вигляді об'ємної спіралі змінного (який поступово зменшується) перерізу, кожний виток якої відповідає одному з елементів рівня технологічних зв'язків. У свою чергу виток спіралі поділяється на секції, а самі секції - на окремі операції.

Запропонованій моделі операційної подачі процесу виробництва адекватно відповідає модель технологічного забезпечення управління якістю сортового прокату з безперервнолитої сталі. У цьому випадку, враховуючи, що технологічна система “Сталь - Прокат - Металопродукція” має безперервний характер, доцільним є впровадження особливого параметра - константи регулювання якості Qк, а також подання початкового перерізу кожної секції (етапу) у вигляді контуру регулювання якості, головними (несучими) елементами якого, згідно з існуючими уявленнями, є так звані “чотири М”: “men, material, machine, method”. Це дозволяє, з одного боку, кількісно характеризувати вірогідність досягнення мети, пов'язаної з управлінням якості, при початковому зосередженні зусилля на даній секції або окремому технологічному процесі, а з іншого - вибрати основний керуючий елемент. Стосовно до умов технологічної системи, яка розглядається, таким є “method”, оскільки він спрямований на виробництво. Ієрархія моделі ж набуватиме вигляду багаторівневої системи, яка періодично повторюється на кожному елементі рівня технологічних зв'язків “Сталь - Прокат - Металопродукція”.

Забезпечення досягнення запланованої якості сортового прокату з безперервнолитої сталі реалізоване створенням і функціонуванням інформаційної структури аналізу суміщених процесів, у якій, згідно з методологічними принципами, виділені етапи: дослідження й управління. Основним елементом першого етапу є об'єкт дослідження, яким, під час використання керуючого елемента “method”, виступає технологічний процес зі своїми показниками якості при початковому рівні системи. Етап дослідження містить також побудову комплексу промислово застосовних математичних моделей, які дозволяють знайти області припустимих значень технологічних параметрів, а також оперативно винайти пропозиції щодо покращення ходу процесу. На етапі управління (планування технології і підтримка технологічних рішень) основним елементом є об'єкт управління (технологічний процес), який на першому етапі виступає як об'єкт дослідження, що обумовлює взаємозв'язок етапів. Особливими елементами виділені основні функціональні виходи управління.

Враховуючи, що в роботі зроблено акцент на організацію виробництва великосортного прокату для вугледобувної ґалузі, вугільного машинобудування, суднобудування і вагонобудування з безперервнолитої сталі, для всебічної оцінки досяжного рівня якості металопродукції на кожному рівні технологічних зв'язків, а також відпрацювання створених елементів технологічного забезпечення управління якістю вищеназваного металопрокату, була обрана група несиметричних штабобульбових профілів підвищеної категорії міцності А32 і D32.

На основі первинного аналізу якості металопрокату з безперервнолитих низьколегованих марок сталі розроблений і реалізований (за безпосередньою участю автора) комплекс заходів щодо технологічного забезпечення управління якістю безперервнолитих зливків (блюмів і заготовок) на рівні “Сталь”, який передбачав: регламентацію вмісту S у чавуні, який використовується, - не більшу за 0,020%; удосконалений шлаковий режим; продувку плавки із проміжним скачуванням шлаку; зниження на 10 ... 15% витрат води/повітря у I-й і II-й зонах вторинного охолодження; регламентацію швидкості розливання - для блюма 335х400 мм - 0,6 м/хв., а для заготовки 160х160 мм -1,3 м/хв.; використання в лінії МБЛЗ сучасних вогнетривких матеріалів для захисту струменя металу від окиснення на повітрі. Комплексне дослідження якості безперервнолитих блюмів (дослідно-промислових і промислових партій), вироблених з урахуванням вищевикладених заходів, показало відсутність дефекту “Поздовжні тріщини” і забезпечило 100% вихід придатних блюмів. При цьому параметри макроструктури блюмів характеризувалися наступними значеннями: осьова пористість має вигляд розсипчатості - 2-4 бали; лікваційні смуги і тріщини - 2-3 бали; осьова ліквація - 0-1 бали; глибина залягання газових пузирів - 5-30 мм; товщина кіркової зони - 15-20 мм; розмір зони витягнутих дендритів - не більший за 90 мм.

У ході наступного етапу роботи автором дисертації вперше, стосовно до умов низьколегованої сталі для суднобудування категорії А32 і D32, виконане експериментальне дослідження якості заготовок для перекату, отриманих з металу однієї плавки, але за різними технологічними схемами: А - відливання на МБЛЗ квадратної заготовки перерізом 160х160 мм; Б - відливання на МБЛЗ блюмів перерізом 335х400 мм і наступна їх перекатка на трубозаготовочному стані 900/750-3 у заготовку квадратного перерізу 170х170 мм.

Прокатана за вдосконаленими режимами обтиснень заготовка характеризувалася доброю якістю поверхні, без видимих дефектів металургійного походження. Порівняльний аналіз отриманих даних про рівень службових властивостей переробних заготовок, які одержані за схемою А і Б, показав, що з точки зору параметрів, які характеризують макроструктуру (табл.1), а також рівень і стабільність розподілу за перерізом механічних властивостей (рис.1) як основну слід обрати схему Б, оскільки вона гарантує отримання переробної заготовки, яка відповідає найвищим вимогам до її якості, а також економію матеріальних ресурсів не меншу за 15%.

Зіставний аналіз досягнутого рівня механічних властивостей з вимогами Класифікаційних товариств Germanischer Lloyd і Det Norske Veritas підтвердив їх повну відповідність (сертифікати ухвалення № WZ 1134 і № AMM -743 відповідно).

Застосування технології контрольованого вторинного охолодження, обов`язковим елементом якої є процес деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації, значно розширює технологічні можливості у частині управління якістю безперевнолитих блюмів і підкатів із них засобами обробки металів тиском.

Для його здійснення розроблені математичні моделі, які реалізовані з використанням кінцево-елементної схеми у програмному комплексі ANSYS (ліцензія №152780 від 13.10.2001 р.). Параметрична ідентифікація моделі за параметром “Товщина закристалізованої кірочки” показала добру адекватність кількісних результатів експериментальним даним. Похибка не перевищила 3,5…5,0%.

Виконаний комплекс розрахункових досліджень, стосовно умов процесу безперервнолитого розливання блюма перерізом 335х400 мм в умовах ВАТ “ДМКД”, щодо уточнення впливу хімічного складу сталі, параметрів процесу лиття і зовнішнього деформаційного впливу на результуючий фізико-геометричний і напружено-деформований стан під час пружнопластичного деформування на стадії неповної кристалізації.

На їх основі із урахуванням особливостей блюмової МБЛЗ ВАТ “ДМКД” обґрунтовано варіант конструктивного оформлення блоку редукуючих клітей і його позиціонування у технологічній лінії. Показано, що він дозволив охопити не менш за 95% марочного сортаменту сталей , що розливаються, і забезпечив широкий діапазон управління якістю безперервнолитих блюмів за допомогою реалізації режимів деформування за 3-5 проходів за умови вмісту твердої фази в осьовій рідко-твердій складовій у межах: 30…70% - у сталі із вмістом С < 0,35%; 38…68% - у сталі із вмістом вуглецю у межах 0,35% ? С < 0,50%; 43…70% - у сталі із вмістом С ? 0,50% (рис. 2).

Аналіз результатів виконаного розрахункового дослідження щодо оцінки впливу технологічних факторів процесу, а саме величини відносного обтиснення е і температурного градієнта и у закристалізованій складовій на відносне переміщення фронтів кристалізації епр = Дhф / Hбл (Дhф - абсолютне переміщення фронтів кристалізації, Hбл - висота перерізу блюма), показав, що тільки частина зовнішнього деформаційного впливу передається осьовій рідко-твердій складовій (рис.3) внаслідок того, що до процесу формозміни залучаються також і шари металу контактної зони осередку деформації, а також бокові стінки.

Зокрема, при мінімальних значеннях для досягнення мінімальної величини Дhф (близько 1,0 мм) величина зовнішнього обтиснення повинна бути збільшеною в 1,6…1,7 раза (для сталей усіх груп). Разом із тим, при досягненні того ж ступеня наближення фронтів , але при максимальних значеннях , коефіцієнт збільшення обтиснення складатиме: для сталей I-ої (типу 09Г2С і А32) і II-ї (типу 40Х) груп - 2,3…2,5, а для сталей III-ї групи (типу сталь 70) - 2,0.

Розподіл сумарного обтиснення по клітях редукуючого блоку, що визначається величиною деформаційного градієнта Q = (Дhi - Дhi-1) / ДLi-1,i, де Дhi і Дhi-1 - величина разового обтиснення в i-тій і (i-1)-ій клітях, а ДLi-1,i - відстань між (i-1)-ою і i-тою клітями, має тенденцію до зростання для більшості марок сталей. Для умов деформування сталей III групи розподіл разових обтиснень Дhi по клітях редукуючого блоку практично рівномірний.

Аналіз динаміки зміни інтенсивності напружень і у різних точках перерізу безперервнолитого блюма із сталі 09Г2С показав, що найбільший градієнт спостерігається в діагональному і поперечному напрямках. Найменший градієнт величини і властивий висотному напрямку. Його величина менша в 3,0…3,3 рази, ніж у діагональному напрямку і в 1,7…2,0 рази - ніж у поперечному напрямку. Даний факт добре узгоджується з існуючими уявленнями про високу вірогідність утворення тріщин у переохолоджених кутах безперервнолитого зливка.

З точки зору аналізу вірогідності утворення внутрішніх порушень суцільності встановлено, що область припустимих значень і має мінімальний інтервал значень, обумовлений тією обставиною, що при температурах металу, близьких до температури кристалізації, коливання величини його межі міцності мінімальні, тобто вmin вmax. У цьому випадку для поперечного і діагонального напрямків припустима величина обтиснення і не перевищує 0,5%, що стосовно умов сталі А32 і 09Г2С рівнозначне зближенню фронтів кристалізації Дhф 1,0 мм або пр. =0,3%. Для висотного напрямку при мінімальних величинах величина припустимих обтиснень і може досягти 2,0%. Однак упродовж зростання їх величина зменшується.

У четвертому розділі “Розвиток методів фізичного моделювання елементів забезпечення управління якістю металопрокату на рівні технологічних зв'язків “Сталь-Прокат” уперше методологічно обґрунтована сукупність критеріальних параметрів і виконаний комплекс експериментальних досліджень. Із використанням розроблених конструкцій фізичних моделей і випробувальних технічних засобів виконана комплексна оцінка як коректності припущень, які обираються під час математичного моделювання процесу деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації, так і адекватності результатів, які отримуються, за параметром “Проникнення деформації у внутрішні шари зливка”.

Враховуючи той факт, що фізико-геометричне тестування повинно проводитися за кількома критеріями, розроблена універсальна конструкція фізичної моделі, яка виготовляється з пластиліну або свинцю. Як критерій подібності використовується еквівалентність характеру розподілу температури у поперечному перерізі.

Уточнене відтворення в моделях теплового стану натурного блюма , що кристалізується, дозволило підтвердити, що збільшення температурного градієнта у закристалізованій складовій обумовлює характер течії металу в осередку деформації, властивий процесу прокатки особливо високих штаб lд/hср = 0,1…0,2, де lд - довжина осередку деформації, а hср - середня висота блюма.

Деформування фізичних моделей із вбудованим усередину датчиком переміщень дозволило зафіксувати динаміку переміщення внутрішніх граней як під час прикладення навантаження, так і після його зняття (рис.4), а також розширити уявлення про механізм підживлення осьових пустот рідким металом під дією пластичної деформації.

Загальний прогин внутрішніх граней фізичної моделі sзаг.i може бути розкладений на дві складові: пружну sпр. і пластичну sпл. Експериментально встановлено, що відношення sпр./sпл. змінюється в інтервалі 0,4…0,65.

При цьому у випадку використання як параметра коригування величин застосовуваних обтиснень Дhi (при заданій величині зближення внутрішніх граней) співвідношення sзаг.i / Дhi , останні повинні мати збільшення, як мінімум, в 1,45…1,5 раза , а під час використання співвідношення sпл. i / Дhi - у 2,07…2,21 рази.

У лабораторних умовах виконано адаптацію нового способу фізичного моделювання процесу деформування безперервнолитих зливків у рідко-твердому стані стосовно до умов редукування безперервнолитих блюмів (рис.5).

Експериментальним шляхом показано, що високий ступінь подібності між фізичною моделлю з пластиліну і натурним об'єктом досягається шляхом формування температурного градієнта и у поперечному перерізі складової фізичної моделі, яка імітує твердий каркас безперервнолитого блюма, за рахунок охолодження зовнішніх і нагрівання внутрішніх граней (табл. 2). При цьому вперше експериментально встановлено, що у температурному інтервалі зміни параметрів холодоагенту і теплоносія від - 600С до + 600С величина коефіцієнта тепловіддачі б пластиліну змінюється в межах 35…250 Вт/(м2·0К).

Таблиця 2

Розподіл температури і напруження течії пластиліну у фізичній моделі і сталі 09Г2С у натурному безперервнолитому блюмі

* - середнє значення

Складність математичного опису поведінки дефектів осьової зони безперервнолитих зливків у процесі пластичного деформування спричиняє необхідність подальшого розвитку нових методів фізичного моделювання, які дозволяють за непрямими ознаками прослідкувати динаміку їх поведінки залежно від величини зовнішньої деформації, що застосовується.

Новий спосіб фізичного моделювання процесу опрацювання структури у безперервнолитих зливках під час пластичної деформації, розроблений на рівні винаходу (патент UA № 77283), заснований на принципі реєстрації динаміки поведінки осьової пористості у процесі прокатки залежно від зміни питомого опору деформованої частини фізичної моделі.

Урахування впливу стану початкової осьової пористості металу, яка визначається кількістю, формою і розмірами окремих складових, запропоновано здійснювати з використанням інтегрального критерію

Кс = сзр. / сет. зр., (1)

де сзр. - питомий електроопір i-го зразка серії із заданою початковою структурою осьової пористості (форма і розміри), ОмЧм; сет. зр. - питомий електроопір еталонного зразка в серії, ОмЧм.

Проведені експериментальні дослідження на розроблених конструкціях фізичних моделей із свинцю. Вперше експериментально встановлена взаємооднозначна відповідність між залежностями осьової пористості безперервнолитих зливків і питомого електроопору від величини сумарної витяжки (рис.6).

Експоненціальний вид кривих з чітко вираженою границею насичення дозволяє говорити про існування критичної величини ? 10, після досягнення якої осьова пористість не змінюється. Отриманий рівень числових значень добре корелює з аналогічними даними, зафіксованими під час прокатки безперервнолитих стальних блюмів і заготовок, що свідчить про коректність запропонованого методу фізичного моделювання.

У п'ятому розділі “Дослідження і практична реалізація елементів управління якістю металовиробів технологічної системи “Сталь - Прокат - Метало-продукція” наведено результати виконаних в лабораторних умовах експериментальних досліджень процесів деформування безперервнолитих блюмів на стадії неповної кристалізації, прокатки безперервнолитих заготовок у прямокутних калібрах, а також деформаційного регулювання процесу формування структури за перерізом розкату під час термодеформаційної обробки арматурного прокату з вуглецевих сталей.

Вперше у лабораторних умовах із використанням нового способу (патент України № 77236) фізичного моделювання процесу деформування безперервнолитих зливків у рідко-твердому стані встановлений вплив керуючих факторів, а саме величини відносного обтиснення , від-

ношення площі незакристалізованої складової безперервнолитого зливка Fо до загальної площі його поперечного перерізу Fзаг. (АF=Fо/Fзаг.), величини температурного градієнта у закристалізованій складовій

, (2)

як на закономірності результуючої формозміни безперервнолитих блюмів, так і динаміку формування НДС металу на різних ділянках їх бічних граней. Вплив вищевказаних параметрів на ефективність процесу оцінювався за допомогою вперше запропонованого коефіцієнта ефективності, який визначається з виразу

, (3)

де ?bр/?hф - показник розширення внутрішньої площини, яка імітує рідко-тверду складову; ДVдеф/Vод - відношення зсуненого у вертикальному напрямку об'єму на відрізку одиничної довжини ДVдеф до об'єму блюма одиничної довжини Vод.

Показано, що з метою запобігання утворенню порушень суцільності в кутових і суміжних до них областях безперервнолитого блюма, охолоджених до моменту реалізації зовнішнього деформаційного впливу до температури 775…8500С, наступне їх редукування повинно здійснюватися зі ступенями обтиснення, які не перевищують 5,0…5,5%.

З використанням експериментальних методів механіки деформованого твердого тіла вивчена динаміка формування НДС на різних дільницях бічної грані фізичних моделей у процесі деформування (рис. 8).

Уперше встановлено, що у всьому інтервалі зміни досліджених керуючих факторів у шарах моделі, прилеглих до кутових ділянок, діють тільки напруження стиснення, а в проміжних - як напруження стиснення (/Т)сер0, так і напруження розтягнення (/Т)сер 0. Порушення суцільності на зовнішній межі закристалізованої складової можливі у кутових ділянках лише на пізніх стадіях реалізації процесу (АF=0,082) при =0,08 і =0,254, а в проміжних шарах - у всьому інтервалі значень факторів АF і при , що дорівнює 0,025…0,055.

Підтверджена адекватність експериментальних даних, отриманих із застосуванням розробленого способу моделювання, даним тестових експериментів на фізичних моделях із свинцю.

Обробка експериментальних даних і виконані розрахункові дослідження показали, що наявність у безперервнолитої заготовки зменшених у 3…4 рази радіусів скруглення кутів призводить до додаткового переохолодження у них металу. В сукупності з ромбічністю форми її поперечного перерізу і використанням під час подальшого деформування універсальних прямокутних калібрів, спроектованих для прокатки декількох типорозмірів гарячекатаної заготовки, підвищує вірогідність виникнення порушень суцільності у поверхневих шарах і на вільній поверхні. Запропоновано як керуючі елементи підсистеми “Прокатка в обтискних клітях ” рівня технологічних зв'язків “Прокат” використовувати: зміну схеми деформування безперервнолитої заготовки через удосконалення форми прямокутних калібрів обтискної кліті; удосконалення режимів деформування безперервнолитої заготовки, які забезпечують, з одного боку, більш якісне опрацювання литої структури металу, а з іншого - формування на вільній поверхні схеми НДС, яка сприяє зниженню вірогідності поверхневих порушень суцільності (рис.9).