Разработка, теоретическое обоснование, исследование и внедрение эффективных технологий прокатки особо тонких стальных полос

В теорию процесса горячей прокатки тонких широких полос предложено ввести теоретические положения, общие для горячей и холодной прокатки, обоснованные в главе 3, и ряд принципиально новых положений, следующих из особенностей напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации при горячей прокатке.

Общие положения следуют из того, что в рабочих клетях широкополосных станов горячей прокатки очаг деформации состоит, как и в клетях станов холодной прокатки, из двух упругих участков и пластического, расположенного между ними. Поэтому контактные напряжения рассчитывают отдельно по участкам, причем в упругих участках, вместо уравнения пластичности, используют уравнения упругости (3).

В очаге деформации широкополосного стана горячей прокатки всегда есть нейтральное сечение, то есть по классификации, предложенной в главе 3, этот очаг относится к варианту «А».

Главное же отличие метода энергосилового расчета процесса горячей прокатки на широкополосных станах следует из существенной особенности напряженного состояния полосы, состоящей в том, что бульшая часть протяженности очага деформации при горячей прокатке представляет собой зону прилипания, в которой действует трение покоя, а не трение скольжения Н.А. Соболевским, А.И. Целиковым и А.А. Королевым в работах 1930-40-х годов было отмечено, что зона прилипания при определенных условиях может простираться по всей дуге захвата..

Исходя из изложенных положений, в данной работе принята схема напряженного состояния полосы в очаге деформации широкополосного стана горячей прокатки, согласно которой очаг состоит из трех участков (рисунок 5):

1) упругого сжатия полосы на входе в валки длиной х_1упр;

2) пластической деформации длиной х_пл, представляющего целиком зону прилипания;

3) упругого восстановления части толщины полосы на выходе из валков длиной х₂.

По отношению к средней скорости по толщине полосы пластический участок состоит из двух зон - отставания длиной х_{пл.отст} и опережения длиной х_{пл.опер}.

Протяженность первого упругого и пластических участков очага деформации определяется по формулам (6), протяженность второго упругого участка определяется по формуле (7) при К_i = 1.

Определение сопротивления деформации

Сопротивление деформации при горячей прокатке зависит от химического состава материала полосы, деформационных, температурных и скоростных параметров процесса. Точность определения этого параметра обуславливает точность прогнозирования контактных напряжений и, следовательно, энергосиловых, а через них геометрических и кинематических параметров процесса.

Изменение сопротивления деформации по длине очага в данной работе принято следующим образом:

- на упругих участках, как и при холодной прокатке (рисунок 2), сопротивление деформации изменяется линейно (по закону Гука);

- на пластическом участке среднее значение сопротивления остается постоянным, так как по мере продвижения полосы происходит его изменение одновременно по двум противоположным направлениям: из-за обжатия сопротивление растет в результате наклепа, а из-за высокой температуры уменьшается в результате рекристаллизации.

Для определения сопротивления деформации на пластическом участке использована формула Л.В. Андреюка, ее достоинства заключаются в очень широком наборе марок сталей и сплавов и возможности подсчитать сопротивление деформации по химическому составу стали:

,

где S, a, b, c - постоянные числа, определяемые для каждой марки стали по результатам испытаний на пластометре; у_од - базисное значение сопротивления деформации; u - скорость деформации; t_i - температура полосы на выходе из i-й клети.

Принятый закон распределения напряжений трения по длине очага деформации

Особенностью условий трения в зоне прилипания является то, что нормальные и касательные контактные напряжения в ней не зависят от коэффициента трения скольжения, а определяются величиной сопротивления чистому сдвигу материала полосы и разностью между средней в поперечных сечениях скоростью полосы и окружной скоростью бочки валков.



14

Размещено на http://www.allbest.ru/

С учетом этого в данной работе принят схематизированный график изменения напряжений трения в очаге деформации при горячей прокатке (см. рисунок 5):

- на упругих участках очага деформации действует закон трения скольжения Амонтона:

ф_х = мр_х; (12)

- на пластическом участке, согласно работам Е.П. Унксова, касательные напряжения изменя-ются линейно от максимального значения ф_хmax = ф_s до минимального значения ф_х -ф_s, проходя через значение ф_х = 0 в нейтральном сечении, в соответствии с выражением:

, (13)

где h_1упр - толщина полосы на границе первого упругого и пластического участков.

Определение нормальных контактных напряжений и усилия прокатки

Для расчета нормальных контактных напряжений, возникающих в очаге деформации при горячей прокатке, использован подход, обоснованный в главе 3, однако, в отличие от процесса холодной прокатки, где касательные контактные напряжения на протяжении всего очага деформации подчиняются закону трения скольжения, при горячей прокатке изменение касательных напряжений по длине очага принято по закону, выраженному формулой (13), в соответствии с графиком рисунка 5.

По известным средним значениям напряжений на каждом из трех участков среднее для всего очага деформации нормальное контактное напряжение вычисляют по формуле:

.

Изложенную методику реализуют с помощью итерационного алгоритма, расчет усилия прокатки производят по формуле (9).

Определение мощности прокатки

Методика расчета мощности горячей прокатки аналогична методике, разработанной для станов холодной прокатки (см. главу 3), однако, ее основное отличие состоит в принятом законе изменения касательных напряжений по длине очага деформации.

Средние значения касательных напряжений на упругих участках вычисляются на основе закона трения (12):

ф₁ = м_iр₁, ф₄ = - м_iр₄.

Знак минус в выражении для определения ф₄ указывает на противоположное по отношению к первому участку направление касательных напряжений.

По той же причине средние значения касательных напряжений на пластическом участке определяют в каждой из зон отдельно путем интегрирования в соответствующих границах выражения (13):

в зоне отставания: ;

в зоне опережения: .

Удельная работа прокатки полосы при прохождении ее через валки i-й клети представляет собой сумму удельных работ, вычисленных для каждого участка очага деформации:

а_пр = а₁ + а₂ + а₃ + а₄.

Мощность прокатки полосы в i-й клети вычисляют по формуле (11).

Глава 5. Оценка точности методов энергосилового расчета процессов горячей и холодной прокатки

Точность методов, изложенных в главах 3 и 4, проверяли путем сопоставления расчетных и измеренных усилий прокатки и мощности двигателей главного привода рабочих клетей чистовой группы полунепрерывного комбинированного стана «2800/1700» производства горячекатаного проката, 4-клетевого и 5-клетевого непрерывных станов «1700» производства холоднокатаного проката ЧерМК ОАО «Северсталь» (Россия, г. Череповец), 4-клетевого стана холодной прокатки «1700» ММК им. Ильича (Украина, г. Мариуполь), и статистического анализа погрешностей расчета - расхождений между рассчитанными и измеренными значениями.

Для определения фактических усилий прокатки и мощностей двигателей использовали базы данных АСУ ТП указанных станов. Всего было использовано около 1000 фактических данных об усилиях и мощностях по станам холодной прокатки и около 200 аналогичных данных по станам горячей прокатки.

Результаты статистической оценки точности разработанных методов энергосилового расчета представлены в таблице 1.

Таблица 1

Погрешности расчета усилий прокатки и мощностей двигателей главного привода рабочих клетей станов горячей и холодной прокатки, %

Параметр	Значение погрешности	Тип прокатки
		горячая	холодная
Усилие прокатки	среднее	4,8	5,7
	максимальное	11,1	12,7
Мощность электродвигателей	среднее	5,7	7
	максимальное	12,9	14,9

Из таблицы 1 видно, что усовершенствованные методы обеспечивают точность вычисления энергосиловых параметров процессов горячей и холодной прокатки особо тонких полос с максимальными погрешностями 11-15%, что в 4-20 раз меньше погрешностей расчета с применением известных методов, использующих условие пластичности на всей протяженности очага деформации.

В работе выполнено сопоставление результатов расчета геометрических и силовых параметров очагов деформации при горячей прокатке особо тонких полос в клетях чистовых групп, полученных с применением усовершенствованного метода и метода конечных элементов, реализованного в модуле DEFORM-3D. В процессе сопоставительного анализа установлено, что расхождения в расчетах геометрических параметров очагов деформации двумя методами не превышают 15%, а в расчете усилий прокатки - 10%.

Таким образом, представленные в работе методы обеспечивают достаточную для практики точность и оперативность расчета геометрических и энергосиловых параметров процессов горячей и холодной прокатки, что позволяет использовать их для разработки энергоэффективных технологий производства особо тонких полос.

Глава 6. Исследование влияния основных факторов процессов горячей и холодной прокатки на геометрические и энергосиловые параметры очагов деформации

С помощью разработанных моделей процессов горячей и холодной прокатки на непрерывных широкополосных станах выполнен комплекс исследований влияния параметров процесса прокатки (коэффициента трения, межклетевых натяжений, относительного обжатия, температуры подката) на геометрические и энергосиловые параметры очагов деформации.

Горячая прокатка

Стойкость рабочих валков последних клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки и, частично, расход энергии на деформацию определяются уровнем контактных напряжений.

В результате исследований установлено, что при горячей прокатке наиболее эффективными средствами воздействия на контактные напряжения и усилия являются относительные обжатия и температура подката. Варьирование и перераспределение обжатий между клетями широкополосных станов горячей прокатки, увеличение температуры подката позволяют снизить напряжения в последних клетях на 20-30%.

Межклетевые натяжения, почти не влияя на силовые параметры (их увеличение даже в 2 раза приводит к снижению р_ср всего лишь на 1-2%), оказывают значительное воздействие на расход энергии, позволяя изменить мощность привода рабочей клети на 6-17%.

Холодная прокатка

Чистота поверхности холоднокатаных полос и расход энергии на процесс пластической деформации определяются положением нейтрального сечения в очаге деформации, которое характеризуется параметром ( хотст - длина зоны отставания; хпл - полная длина пластического участка):

- при Хi приближающемуся к Хmax = 1, зона отставания занимает преобладающую часть пластического участка очага деформации, что благоприятно отражается на чистоте поверхности холоднокатаных полос;

- при Хi стремящемуся к минимальному значению Хmin = 0,55, протяженность зон отставания и опережения становится примерно одинаковой, что приводит к снижению расхода энергии на прокатку, за счет возврата в зоне опережения валкам части энергии, затраченной на деформацию полосы в зоне отставания.

В результате исследований установлено, что во всех клетях непрерывного стана значения параметра Хi увеличиваются при снижении коэффициента трения и переднего натяжения и при увеличении заднего натяжения. С ростом частного относительного обжатия значения исследуемого параметра увеличиваются для первой и промежуточных клетей, а в последней клети - уменьшаются.

Регулировать положение нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей с помощью коэффициента трения не представляется возможным, поскольку на его величину влияет много разнообразных факторов. Наиболее эффективными средствами воздействия на геометрию очага деформации являются межклетевые натяжения и относительные обжатия. Особенно эффективно регулирование переднего натяжения, обеспечивающее самый широкий диапазон воздействия на положение нейтрального сечения.

Наиболее существенные новые закономерности изменения мощности прокатки, установленные благодаря учету показателя Xi, заключаются в следующем.

- С ростом коэффициента трения мощность не обязательно увеличивается; в зависимости от изменения типа очага деформации она может уменьшаться, оставаться постоянной или скачкообразно изменяться. Такой, на первый взгляд, парадоксальный характер зависимости Nпр от м объясняется тем, что при определенном значении коэффициента трения в очаге деформации может исчезнуть нейтральное сечение.

- При увеличении переднего удельного натяжения полосы мощность прокатки снижается, что не противоречит известным закономерностям, однако, если показатель Xi < 1, темп снижения мощности многократно больше, чем получается при расчете по известным методикам.

Глава 7. Применение разработанных методов энергосилового расчета для совершенствования технологии прокатки на листовых станах

Влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации на качество холоднокатаных листов

Источниками снижения чистоты поверхности являются продукты износа поверхностных слоев полосы и валков в очаге деформации и продукты разложения смазочно-охлаждающей жидкости. Главные причины появления этих продуктов - контактное трение и высокий уровень нормальных контактных напряжений.

В производстве холоднокатаного проката ЧерМК ОАО «Северсталь» был выполнен комплекс исследований с целью установить влияние технологических параметров прокатки на чистоту поверхности полос. Основой исследований являлась гипотеза о зависимости чистоты поверхности полос от положения нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей. Это предположение объясняется тем, что в зоне отставания напряжения трения направлены по ходу прокатки, в результате чего продукты износа и разложения активно выносятся валками из очага деформации, который тем самым непрерывно самоочищается; в зоне опережения напряжения трения направлены против хода прокатки, поэтому вынос из очага деформации этих продуктов затруднен, они накапливаются в очаге, приводя к увеличению количества грязи на полосе (рисунок 6, а). Следовательно, обеспечивая максимально возможный сдвиг нейтрального сечения в сторону выхода полосы из валков, можно добиться лучшей чистоты поверхности полосы (рисунок 6, б).

14

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 Влияние направлений сил трения на самоочищение очага деформации

Для проверки гипотезы был проведен регрессионный анализ факторов технологического процесса, оказывающих наибольшее влияние на загрязненность холоднокатаных полос, в результате получены регрессионные уравнения в виде зависимостей степени отражения светового потока (Сi) Чистоту поверхности полосы в процентах отражения светового потока определяют с помощью рефлектометра. Сущность метода состоит в следующем: скотч наклеивают на поверхность полосы, затем снимают и наклеивают на чистый белый лист бумаги, подносят рефлектометр и направляют на скотч световой поток, так как на скотч перешли загрязнения с поверхности полосы, то от него отражается только часть светового потока, которая улавливается прибором и высвечивается на цифровом табло в процентах (100 % - абсолютно чистая поверхность)., характеризующей чистоту поверхности полосы, от факторов технологического процесса.

Регрессионные зависимости от значимых факторов представлены в таблице 2.

Итоговое регрессионное уравнение для определения чистоты поверхности готовой полосы, объединяющее все 4 уравнения таблицы 2, имеет вид:

С₄ = 3,4 + 3,5 + 10,8X₂ + 9,1X₃ + 19,8Х₄.

Таблица 2

Степень отражения светового потока после каждой клети (С_i, %) в функции параметров процесса прокатки на 4-клетевом стане «1700»

Номер клети (i)	Регрессионное уравнение	Примечание
1	С1 = 31,9 + 32,3	k - число омыления эмульсола; kб - базисное значение числа омыления эмульсола, kб = 95 мг КОН на 1 г; С - степень отражения светового потока на подкате; Сmax - максимальное значение степени отражения светового потока, Сmax = 100%; Xi - показатель, характеризующий положение нейтрального сечения.
2	С2 = 35,3 + 34,9Х2
3	С3 = 64,8 + 19,6Х3
4	С4 = 46,7+ 19,8Х4

Разработка и внедрение в производство режимов прокатки, обеспечивающих повышение чистоты поверхности холоднокатаных полос

На основе результатов проведенных исследований были разработаны усовершенствованные режимы прокатки, в которых значения Х_i максимально приближены к 1.

Эти режимы были успешно апробированы на действующих 4-клетевом и 5-клетевом станах «1700» ЧерМК ОАО «Северсталь». После апробации была проведена работа по внедрению новой технологии в производство.

Первоначально была выполнена корректировка промышленных режимов обжатий и натяжений для всего сортамента непрерывных станов «1700» по критерию Х_i = max с использованием новой модели очага деформации и определение допустимых отклонений от оптимальных параметров прокатки, не приводящих к ухудшению чистоты поверхности полосы.

Прокатку по усовершенствованным режимам производили на 4-клетевом и 5-клетевом станах «1700». Контроль качества металла по чистоте поверхности полос осуществляли по данным отдела технического контроля (ОТК) ЧерМК ОАО «Северсталь».

Оценку эффективности выполняли путем сопоставления данных ОТК о загрязненности металла, прокатанного за одинаковые периоды времени до внедрения и после внедрения усовершенствованных режимов. Результаты этой оценки представлены в таблицах 3 и 4.

Из таблиц 3 и 4 видно, что усовершенствованные режимы прокатки, по сравнению с базовыми, обеспечивают значительное снижение среднего количества механических загрязнений на поверхности холоднокатаных полос и общее сокращение металла, оцененного по 4^му баллу загрязненности.

Таблица 3

Среднее количество механических загрязнений на поверхности холоднокатаного отожженного металла, мг/м²

Показатель загрязненности	Место контроля	Базовый режим	Усовершенст-вованный режим
Среднее количество механических загрязнений, мг/м2	травленый подкат	103	162
	5-клетевой стан	95	81
	4-клетевой стан	349	279
Разность количества загрязнений холоднокатаного и травленого металла, мг/м2	5-клетевой стан	- 8	- 81
	4-клетевой стан	+ 246	+ 117

Таблица 4

Данные ОТК о распределении холоднокатаного отожженного металла по баллам загрязненности, %

Баллы загрязненности	Место контроля	Базовый режим	Усовершенст-вованный режим	Изменение количества металла, %
1й-2й баллы С = 70-100%	5-клетевой стан	32,1	31,4	- 2,2
	4-клетевой стан	16,8	20,7	+ 23
3й балл С = 45-69%	5-клетевой стан	66,7	68,3	+ 2,4
	4-клетевой стан	63,5	76,8	+ 21
4й балл С < 45%	5-клетевой стан	1,2	0,3	- 75
	4-клетевой стан	19,7	2,5	- 87

Экономический эффект от внедрения мероприятий в производство холоднокатаного проката ЧерМК ОАО «Северсталь» составил 2 млн.руб./год.

На способ прокатки, положенный в основу усовершенствованных режимов, получен патент Российской Федерации № 2238809.

Разработка и промышленная апробация на 5-клетевом стане «1700» ЧерМК ОАО «Северсталь» режимов прокатки, обеспечивающих экономию энергии двигателей главного привода рабочих клетей

Из работ В.Н. Выдрина и др. известно, что в зоне опережения очага деформации валки не затрачивают энергию на пластическую деформацию полосы, напротив, полоса возвращает валкам часть энергии, полученной ею при прохождении зоны отставания, то есть расход энергии в рабочей клети зависит от соотношения длин зон отставания и опережения: чем длиннее последняя, тем меньше мощность прокатки и расход энергии. Эффективное воздействие на это соотношение можно оказать, изменяя частное обжатие, заднее и переднее натяжения полосы.

Учитывая эту особенность процесса холодной прокатки, был разработан и оформлен в виде заявки на патент Российской Федерации метод усовершенствования технологического режима непрерывного стана, сущность которого состоит в том, чтобы, целенаправленно изменяя распределение между клетями частных обжатий и межклетевых натяжений, уменьшить протяженность зон отставания в наиболее энергоемких рабочих клетях и тем самым обеспечивать экономию энергии при прокатке. Критерием усовершенствования является стремление значения X_i к X_min = 0,55.

При разработке указанного метода учитывали, что другой критерий усовершенствования - повышение чистоты поверхности полос - требует противоположного воздействия, сдвига нейтрального сечения в сторону выхода полосы из валков.

В связи с этим было решено распределить между рабочими клетями непрерывного стана функции обеспечения чистоты поверхности полос и экономии энергии следующим образом. В последних клетях (для 5-клетевого стана - в клетях №№ 4 и 5), от которых в наибольшей степени зависит чистота поверхности, сдвигать нейтральное сечение к выходу из валков, максимально, с учетом технологических ограничений, приблизив показатель Xi к 1, тем самым повысить чистоту поверхности полос.

В первой и промежуточных клетях, обладающих максимальной энергоемкостью, следует сдвигать нейтральное сечение назад, уменьшая показатель Xi, и тем самым снижая суммарные затраты энергии на стане.

Некоторое ухудшение чистоты поверхности полос на выходе из промежуточных клетей, являющееся следствием такого воздействия, компенсируется и исправляется в последних клетях.

На основе этого метода были разработаны и успешно испытаны усовершенствованные режимы прокатки.

В таблице 5 приведены данные АСУ ТП 5-клетевого стана «1700» о затратах энергии при прокатке полос толщиной 0,48 мм и 0,9 мм по базовому и усовершенствованному режимам, из которых видно, что усовершенствование обеспечивает реальную экономию электроэнергии в диапазоне 4,1-8%.

Таблица 5

Фактический расход энергии на 5-клетевом стане «1700»

Профилеразмер	Тип режима	Ауд, кВтч/т	Ауд, %
2,10,48	Базовый	59,5	4,1
	Усовершенствованный	57,06
3,00,9	Базовый	58,3	8,00
	Усовершенствованный	53,63

Примечание. А_уд - удельный расход энергии, кВтч/т; А_уд - изменение удельного расхода энергии, %

Планируемый экономический эффект от внедрения способа в производство холоднокатаного проката составляет более 100 млн.руб./год.

Моделирование и усовершенствование режимов прокатки на 4-клетевом стане «1700» «ММК им. Ильича»

Прокатка металла на 4-клетевом стане «1700» ОАО «ММК им. Ильича» (Украина, г. Мариуполь) по фактическим режимам, характеризующимся высоким уровнем межклетевых натяжений и частных относительных обжатий в последней клети, сопровождалась повышенной обрывностью полос, значительной отсортировкой металла по чистоте поверхности и высокими энергозатратами на процесс пластической деформации.

Для устранения этих негативных явлений были проведены следующие технологические мероприятия:

- относительное обжатие в 1^й клети установлено, исходя из условия загрузки электродвигателей главного привода по мощности в диапазоне 80-95% от максимального паспортного значения мощности этих двигателей;

- относительное обжатие в 4^й клети установлено в диапазоне 5-15%;

- оставшаяся часть суммарного обжатия распределена поровну между 2^й и 3^й клетями;

- удельные натяжения полосы на выходе из 1^й клети установлены в диапазоне 18-20% от предела текучести в этой клети;

- удельные натяжения полосы на выходе из 2^й и 3^й клетей установлены в диапазоне 21-22% от предела текучести в этих клетях.

На основе изложенных рекомендаций были рассчитаны, а затем испытаны и внедрены в производство усовершенствованные режимы холодной прокатки.

Внедрение эффективной технологии холодной прокатки обеспечило снижение обрывности полос в 4 раза; уменьшение загрязненности поверхности на 15-19%; уменьшение расхода электроэнергии на процесс прокатки на 12-17%.

На способ прокатки, обеспечивающий повышение чистоты поверхности холоднокатаных полос и экономию энергии при прокатке на 4-клетевом стане, получены патент Российской Федерации № 2325241 и патент Украины № 20060869.

Разработка и промышленная апробация режимов прокатки, исключающих возникновение резонансных колебаний в рабочих клетях

Прокатка полос толщиной 0,25-0,5 мм со скоростью выше 15 м/с сопровождается повышением колебаний основных технологических параметров: межклетевых натяжений, усилий прокатки до 25%. Такая нестабильность технологического процесса приводит к перемещению рабочих валков с подушками в пределах зазоров в окнах станин и возникновению вибраций. Для их исключения необходимо, чтобы подушка валка была постоянно прижата к передним или задним вертикальным плоскостям окна станин, то есть направление горизонтальных сил, действующих на подушки рабочих валков, должно быть неизменным (рисунок 7).

14

Размещено на http://www.allbest.ru/

Условие исключения вибраций, предложенное в данной работе на основе анализа устойчивости положения рабочих валков с подушками в пределах зазоров в окнах станин и учитывающее колебания основных технологических параметров, имеет вид:

,

где R_рУmin - минимально возможная суммарная сила, действующая на подушки рабочего валка; д - погрешность расчета усилия прокатки; T_i-1, T_i - заднее и переднее полные натяжения полосы; k_Р, k_T - коэффициенты нестабильности усилия прокатки и межклетевых натяжений; дF_гор - максимальное приращение горизонтальной силы F_гор, действующей на валки в очаге деформации.

Для его использования в инженерной практике получено выражение горизонтальной силы, действующей на полосу в очаге деформации, путем суммирования горизонтальных проекций нормальных и касательных сил на каждом участке очага деформации, рассчитанных на основе упруго-пластической модели напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации.

С помощью усовершенствованной модели процесса холодной прокатки и методики расчета горизонтальных сил в очаге деформации была разработана методология устранения резонансных вибраций, заключающаяся в том, чтобы в рабочей клети, наиболее склонной к вибрациям, были проведены следующие мероприятия:

- увеличено частное относительное обжатие до предела, установленного с учетом ограничений по усилию, мощности прокатки и критериям, связанным с качеством продукции;

- уменьшено заднее удельное натяжение до нижней границы нормативного диапазона;

- увеличено переднее удельное натяжение до верхней границы нормативного диапазона;

- максимально ограничены колебания натяжений и усилий прокатки, с учетом возможностей систем автоматического регулирования, которыми оснащен стан;

- увеличено ускорение разгона стана с учетом возможностей и особенностей линий главного привода.

Согласно этой методике были разработаны и внедрены в производство усовершенствованные режимы прокатки в 4^й клети 5-клетевого стана «1700», наиболее склонной к вибрациям.

Это мероприятие позволило увеличить скорость прокатки полос проблемного сортамента с 10-12 м/с до 17-20 м/с и за счет этого увеличить часовую производительность стана на 23%. Экономический эффект составил более 8 млн.руб./год.

На способ прокатки, исключающий возникновение резонансных колебаний в рабочих клетях стана холодной прокатки, получен патент Российской Федерации № 2259896.

Совершенствование настройки скоростного режима непрерывных станов холодной прокатки

Настройка скоростного режима - одна из основных функций АСУ ТП непрерывного стана. Ее задача - по заданной скорости полосы на выходе из последней клети, исходя из режима обжатий и закона постоянства секундных объемов, рассчитать скорости полосы в каждой клети, а затем - с учетом опережений - определить и задать скорости вращения валков.

Опыт настройки непрерывных станов холодной прокатки показал, что алгоритмы АСУ ТП, как правило, не обеспечивают точного определения скоростей вращения валков. Погрешности их расчета в отдельных клетях приводят к нарушениям закона постоянства секундных объемов и - как следствие - к нестабильности межклетевых натяжений полосы. Колебания натяжений приводят к изменениям усилий прокатки и упругих деформаций валков, в результате увеличивается продольная и поперечная разнотолщинность, а также нарушается плоскостность полос.

Для устранения этих погрешностей операторы корректируют скорости вручную, в процессе указанных корректировок часть длины полос прокатывают с увеличенными отклонениями от заданных размеров и плоскостности.

Как отмечалось в главе 3, скорость вращения валков может быть определена через скорость прокатки в i-й клети с учетом коэффициента опережения, следовательно, точность определения скорости валков зависит от точности расчета этого коэффициента.

В главе 3 представлены новые формулы для расчета коэффициента опережения, которые позволили достоверно рассчитать скоростной режим прокатки полосы из стали марки 08пс шириной b = 1242 мм с исходной толщины h₀ = 2,00 мм на конечную толщину h₅ = 0,51 мм.

Для определения эффективности усовершенствованного (опытного) скоростного режима были проведены промышленные эксперименты.

Анализ экспериментальных данных показал, что при опытном скоростном режиме диапазоны колебаний натяжений в межклетевых промежутках уменьшились, по сравнению с рабочим режимом, на 5,7-60,9% (в среднем на 35,8%). Несмотря на то, что при опытном режиме колебания толщины подката составляли 0,075 мм, а при рабочем режиме 0,065 мм, колебания толщины полосы при прокатке по опытному скоростному режиму уменьшились, по сравнению с рабочим, в клетях №№ 1, 2, 3 на 2,3-14,4%, а в клетях №№ 4 и 5 - на 45,4 и 56% (в среднем на 35,3%).

В абсолютных значениях колебания толщины готовой полосы при рабочем режиме составили 0,022-0,056 мм, а при опытном режиме 0,015- 0,03 мм, то есть в 1,5-1,9 раза меньше.

Разработка и промышленные испытания эффективных режимов горячей прокатки особо тонких полос в чистовой группе клетей полунепрерывного комбинированного стана «2800/1700» ЧерМК ОАО «Северсталь»

При освоении производства особо тонкого горячекатаного проката в чистовой группе клетей полунепрерывного комбинированного стана «2800/1700» ЧерМК ОАО «Северсталь» технологи столкнулись с рядом проблем, связанных с ростом затрат энергии на процесс прокатки, ухудшением качества поверхности готового проката и снижением стойкости рабочих валков последних клетей.

Устранение этих негативных явлений осуществлялось учеными Череповецкого государственного университета путем усовершенствования режимов обжатий, межклетевых натяжений, а также температурного режима прокатываемых полос.

Усовершенствование режима обжатий заключается в уменьшении в 4^й, 5^й и 6^й клетях частных обжатий на 10-30% относительно значений, принятых по существующей технологии, что приводит к снижению в них максимальных контактных напряжений на 20-60%, то есть до менее опасного уровня 800-1200 МПа. Чтобы сохранить при этом толщину подката и суммарное обжатие, увеличили частные обжатия в трех первых клетях на 2-10%. Это не представляет опасности для валков, так как контактные напряжения в первых трех клетях в два-три раза меньше, чем в трех последних.

Температуру подката увеличили до максимально возможного значения 1080 С, не ухудшающего микроструктуру и механические свойства готового проката толщиной до 2,0 мм.

Межклетевые удельные натяжения увеличили до 10-15% от величины сопротивления деформации, это мероприятие за счет повышения устойчивости движения полосы, способствует лучшему ее удержанию на оси прокатки и оказывает дополнительное влияние на уменьшение разноширинности полос.

На основе изложенных рекомендаций, с помощью метода расчета технологических и энергосиловых параметров процесса горячей прокатки, представленного в главе 4, были разработаны, а затем испытаны усовершенствованные режимы прокатки. В результате испытаний установлено, что усовершенствованная технология горячей прокатки, по сравнению с базовой, обеспечила снижение уровня нормальных контактных напряжений в среднем на 16%; суммарной мощности двигателей главного привода стана на 3-8%; продольной разнотолщинности и разноширинности полос в 1,7-2 раза и колебаний усилий прокатки почти в 2 раза.

Планируемый экономический эффект от внедрения усовершенство-ванных режимов только на одном широкополосном стане составил более 200 млн.руб./год. По заявке на патент Российской Федерации «Способ горячей прокатки тонких полос в непрерывной чистовой группе клетей широкопо-лосного стана» получено положительное решение № 2009100429/02(000561) от 27.02.2009 г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан ряд новых научных положений и практически значимых решений, которые в совокупности представляют собой теоретическое обоснование и решение проблемы разработки эффективной технологии прокатки особо тонких высокоточных широких горячекатаных и холоднокатаных полос на непрерывных станах, имеющей важное значение для российского листопрокатного производства. Разработанные технологические решения защищены патентами на изобретения РФ и Украины.

2. Выполнен литературно-аналитический обзор научных работ в области теории и технологии тонколистовой прокатки, в результате установлено, что технический прогресс листопрокатного производства, тенденции изменения сортамента, ужесточение требований к качеству, к точности размеров и плоскостности полос, потребовали корректировки ряда положений теории тонколистовой прокатки в части повышения точности расчета технологических и энергосиловых параметров широкополосных станов при производстве особо тонких полос.

3. Предложена упругопластическая модель напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации при прокатке тонких полос на непрерывных широкополосных станах. На основе этой модели разработаны усовершенствованные методы расчета технологических и энергосиловых параметров процессов горячей и холодной прокатки.

4. Выполнена промышленная апробация усовершенствованных методов с целью оценки их точности и достоверности. Для этого созданы базы данных, содержащие информацию о более чем 260 фактических режимах прокатки на непрерывных станах. С использованием статистических методов доказано, что усовершенствованные методы обеспечивают точность вычисления усилий прокатки со средней погрешностью 4,8-5,7%, мощностей электродвигателей главного привода рабочих клетей - 5,7-7%, что в 4-20 раз меньше погрешностей расчета с применением известных методов, использующих условие пластичности на всей протяженности очага деформации.

5. С использованием разработанных упругопластических моделей напряженного состояния полосы и основанных на них методов расчета энергосиловых параметров установлены закономерности, уточняющие и корректирующие ряд представлений теории листовой прокатки о влиянии основных технологических параметров на усилие и мощность прокатки, на чистоту поверхности холоднокатаных полос.

6. Получены математические зависимости для соотношений между силами, действующими на узел рабочих валков, исключающих резонансные вибрации в рабочей клети. Разработанная методика позволяет моделировать режимы прокатки, полностью исключающие возможность возникновения вибраций.

Внедрение усовершенствованных режимов в производство холоднокатаного проката ЧерМК ОАО «Северсталь» позволило повысить скорость прокатки на 5-клетевом стане «1700» с 10-13 м/с до 17-20 м/с, увеличить производительность стана на 23 %.

7. С использованием усовершенствованной математической модели процесса холодной прокатки разработана, испытана и внедрена эффективная технология, обеспечивающая снижение обрывности холоднокатаных полос в 4 раза, поверхностной загрязненности на 15-20%, расхода энергии на процесс пластической деформации на 4-17%.

8. Разработаны и реализованы усовершенствованные режимы настройки скоростного режима непрерывных станов холодной прокатки, в которых скорости вращения валков рассчитаны с использованием предложенных зависимостей коэффициентов опережения, за счет стабилизации скоростного режима обеспечено, уменьшение колебаний толщины полосы в 1,5-2 раза.

9. На основе усовершенствованных теоретических положений и математической модели процесса горячей прокатки разработаны и успешно испытаны эффективные режимы, обеспечивающие снижение уровня контактных напряжений на 16 %, расхода энергии при прокатке на 3-8% и повышение точности размеров особо тонкого горячекатаного проката в 1,7-2 раза.

10. Суммарный экономический эффект от внедрения технических решений (за девять лет использования разработок на ЧерМК ОАО «Северсталь») составил более 90 млн.руб. Планируемый экономический эффект от внедрения испытанных разработок составляет 300 млн.руб./год.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

Публикации в научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Кожевникова, И.А. К вопросу о контактном трении при прокатке / И.А. Кожевникова // Вестник ЧГУ. 2011. № 4. Т 3. С. 17-21.

2. Кожевникова, И.А. Проблемные вопросы развития методов энергосилового расчета процессов тонколистовой прокатки (в порядке обсуждения) / И.А. Кожевникова, Э.А. Гарбер // Производство проката. 2010. № 12.- С.23-34.

3. Гарбер, Э.А. Энергосиловые параметры процесса холодной прокатки стальных полос толщиной менее 0,5 мм / Э.А. Гарбер, И.А. Шадрунова С 23 июля 2004 г. Кожевникова И.А. // Производство проката. 2002. № 3. С. 13-18.

4. Гарбер, Э.А. Эффективность уменьшения диаметра рабочих валков и переноса главного привода на опорные валки станов холодной прокатки / Э.А. Гарбер, И.А. Шадрунова³ // Производство проката. 2003. № 4. С. 9-14.

5. Гарбер, Э.А. Сопоставительный анализ напряженно-деформированного состояния металла и энергосиловых параметров процессов горячей и холодной прокатки тонких широких полос / Э.А. Гарбер, И.А. Кожевникова // Производство проката. 2008. № 1. С. 10-15.

6. Гарбер, Э.А. Анализ очага деформации и уточненный расчет усилий холодной прокатки полос толщиной менее 0,5 мм на непрерывных станах / Э.А. Гарбер, И.А. Шадрунова³, А.И. Трайно, В.С. Юсупов // Металлы. 2002. № 4. С. 32-38.

7. Гарбер, Э.А. Улучшение качества поверхности холоднокатаных полос путем воздействия на положения нейтрального сечения в очаге деформации / Э.А. Гарбер, И.А. Шадрунова³, В.В. Кузнецов, Д.И. Никитин, Е.В. Дилигенский // Производство проката. 2003. № 2. С. 16-19.

8. Гарбер, Э.А. Расчет усилий горячей прокатки тонких полос с учетом напряженно-деформированного состояния в зоне прилипания очага деформации / Э.А. Гарбер, И.А. Кожевникова, П.А. Тарасов // Производство проката. 2007. № 4. С. 7-15.

9. Гарбер, Э.А. Уточненный расчет мощности двигателей главного привода широкополосных станов горячей прокатки / Э.А. Гарбер, И.А. Кожевникова, П.А. Тарасов // Производство проката. 2007. № 10. С. 5-12.

10. Гарбер, Э.А. Повышение качества поверхности листовой стали на основе новых решений в теории холодной прокатки / Э.А. Гарбер, С.И. Павлов, И.А. Кожевникова, М.А. Тимофеева, В.В. Кузнецов // Вестник ЧГУ. 2010. № 2. С. 76-86.