Исследование и совершенствование технологии холодной прокатки низколегированных высокопрочных автомобильных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Борисов, Сергей Сергеевич

• Борисов, Сергей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Борисов, Сергей Сергеевич

3

1. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОЧАГА

ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ.

1.1. Низколегированные стали с высоким пределом текучести, характеристика и особенности холодной прокатки в условиях стана 2030.

1.2. Технологическая схема производства низколегированной высокопрочной стали на ОАО «НЛМК».

1.3. Математические модели очага деформации для расчета энергосиловых параметров при холодной прокатке.

1.4. Выводы по первой главе.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНОГО ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ ГОРЯЧЕКАТАНОГО ПОДКАТА ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ.

2.1. Выводы по второй главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ УПРОЧНЕНИЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ.

3.1. Методика, материал и оборудование исследования.

3.2. Определение кривой упрочнения низколегированной стали при холодной деформации.

3.3. Изучение зависимости пластических свойств низколегированной высокопрочной стали от деформационного нагрева в процессе холодной прокатки.

3.4. Выводы по третьей главе.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ.

4.1. Совершенствование математической модели процесса холодной прокатки.

4.2. Реализация математической модели процесса холодной прокатки.

4.3. Расчет параметров процесса холодной деформации Н8ЬА сталей. Точность математической модели.

4.4. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и совершенствование технологии холодной прокатки низколегированных высокопрочных автомобильных сталей»

Главными критериями успешного развития предприятия и его конкурентоспособности являются постоянное расширение и варьирование сортамента производимой продукции в зависимости от запросов рынка при обеспечении высокой стабильности и производительности технологических процессов в сочетании с низкими издержками и высоким качеством.

В последние годы низколегированные высокопрочные стали (НБЬА) находят широкое применение в машиностроении и автомобилестроении. В работе рассмотрены низколегированные стали марок НС260ЬА, НСЗООЬА НС380ЬА, Н400ЬА, НС420ЬА. Область их применения обусловлена высокими механическими свойствами (условный предел текучести до 520 МПа), что позволяет снижать вес металлоконструкций при сохранении их прочности. Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла на 2530% по сравнению с конструкциями из малоуглеродистых сталей. Сложившиеся благоприятные рыночные условия обеспечивают стабильно высокий спрос на стали данного класса.

Конечная геометрия (толщина, ширина, плоскостность) и качество поверхности полос из Н8ЬА сталей, необходимые для автомобилестроения, достигаются в результате холодной прокатки. Производительность и стабильность процесса холодной деформации определяются составом оборудования стана и механическими свойствами стали. Низколегированные высокопрочные стали - это специальные стали, производство которых требует наличия определенного состава оборудования на металлургических комбинатах. Тенденции универсализации прокатных станов и стремление к получению наибольшей выгоды - факторы, определяющие необходимость освоения технологии прокатки труднодеформируемых сталей на существующем оборудовании.

Обеспечение широкого сортамента прокатываемых высокопрочных сталей при высокой стабильности процесса (отсутствие простоев, обеспечение качества поверхности и плоскостности) дает производителю металлопроката конкурентные преимущества на рынке сталей. Одним из эффективных и низкозатратных путей для проверки возможности прокатки новых марок стали или оптимизации существующей технологии производства является математическое моделирование процессов при известных свойствах исследуемой стали. Наклеп сталей ШЬА в процессе холодной тонколистовой прокатки может достигать 1000 МПа и более. Закономерности и интенсивность упрочнения НБЬА сталей в процессе холодной деформации недостаточно изучены и слабо освещены в научной литературе. Поэтому режимы холодной прокатки низколегированных сталей обычно определяются опытным путем, при этом возникают аварийные ситуации, приводящие к простоям, потере производительности стана и снижению качества проката. Несомненный интерес представляет получение данных о прочностных свойствах низколегированных сталей перед холодной деформацией в зависимости от химического состава и параметров горячей прокатки. Наличие информации о сопротивлении деформации стали до обработки и кривой её упрочнения в процессе холодной прокатки способствует снижению издержек при выполнении заказов потребителей за счет предварительного выбора режимов обработки.

Все вышесказанное обуславливает актуальность научного исследования упрочнения низколегированных высокопрочных сталей при холодной пластической деформации, математического описания и компьютерного моделирования данных процессов на основе подходов теории прокатки.

Целью работы являлось исследование упрочнения низколегированных высокопрочных сталей при холодной прокатке, получение новых данных по сопротивлению деформации для уточнения параметров начальной настройки прокатных станов при расширении марочного сортамента металлопродукции.

В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Регрессионные зависимости условного предела текучести горячекатаного подката из сталей HSLA от химического состава и параметров горячей прокатки, определяющие исходное сопротивление деформации холоднокатаного проката с учетом условий предшествующей обработки без необходимости проведения механических испытаний.

2. Коэффициенты кривой упрочнения уравнения A.B. Третьякова для сталей марок HC260LA, HC380LA, H400LA и HC420LA, описывающие зависимость величины наклепа от степени холодной деформации.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния температуры полосы на упрочнение HSLA сталей при холодной прокатке. Уравнения, учитывающие изменение вида кривой упрочнения при холодной деформации HSLA сталей в диапазоне температур 25. 150 °С.

4. Методика, учитывающая влияние температуры полосы и условий трения на стане при расчете параметров холодной прокатки. В отличие от существующих численных моделей алгоритм дополнен адаптивной процедурой вычисления коэффициентов кривой упрочнения при известных данных по энергосиловым параметрам обработки.

В работе представлены результаты исследований, полученные за 2009-2012 гг. и выполненные в рамках НИР «Разработка новых методов описания формообразования тонких полос из высокопрочной стали при прокатке на широкополосных станах для расширения прокатываемого сортамента» (Регистрационный № 7.3237.2011, номер государственной регистрации 01201264040).

Регрессионные зависимости сопротивления деформации низколегированных высокопрочных сталей от химического состава и параметров горячей прокатки использованы при разработке рекомендаций по ведению технологического процесса в условиях ОАО «HJTMK» (Новолипецкий металлургический комбинат). Полученные уравнения повышают точность определения исходного предела текучести и кривой упрочнения HSLA стали, которые используются в автоматизированной системе управления станом холодной прокатки для расчета технологических параметров прокатки заданного типоразмера.

Результаты исследования упрочнения Н8ЬА сталей в процессе холодной деформации переданы в вычислительный центр и технический отдел «Производства холодного проката и покрытий» ОАО «НЛМК» и использованы в алгоритмах системы управления стана 2030 (АСУТП стана 2030 уровень 2), что подтверждено актом об использовании результатов диссертационной работы на ОАО «НЛМК» от 12.04.2012 г. Применение результатов позволило повысить стабильность и производительность процесса холодной прокатки низколегированных высокопрочных сталей.

Полученные константы кривых упрочнения сталей НЭЬА могут быть использованы в качестве справочных данных в широком спектре теоретических и прикладных задач процессов холодной деформации.

Разработанная программа расчета параметров обработки и кривой упрочнения стали позволяет моделировать условия холодной прокатки по составу оборудования и режимам обработки. Позволяет адаптировать модель к условиям стана холодной прокатки путем коррекции коэффициентов кривой упрочнения, использована для проверки возможности обработки нового марочного сортамента на стане 2030.

Программа зарегистрирована в Общероссийском фонде алгоритмов и программ (свидетельство о регистрации № 50201250486), используется в учебном процессе при подготовке студентов направления 150400.68 «Металлургия» в курсе «Информационные технологии в металлургии», что подтверждено актом о внедрении в учебный процесс результатов НИР от 15.02.2013г.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении», г. Краматорск, Украина, 21-24 апреля 2009 г.; научно-технической конференции «Прогрессивные технологии пластической деформации», г. Москва, 2009 г.; «VIII международной научно-технической конференции молодых специалистов», г. Новокузнецк, 16-20 апреля 2010 г.; научно-технической конференции «Прогрессивные технологии пластической деформации», г. Москва, 2009 г.; «International Conference on Physical and Numerical Simulation (ICPNS'2010)», November 16-19, 2010, Guilin, China; «20th Jubilee International Conference on Metallurgy and Materials METAL 2011», May 18-20, 2011, Brno, Czech Republic, European Union; международной научно-технической конференции «Инновационные технологии обработки металлов давлением», г. Москва, 18-20 октября 2011г.; «21 st International Conference on Metallurgy and Materials METAL 2012», May 23-25, 2012, Brno, Czech Republic, European Union.

Основное содержание и результаты работы опубликованы в 10 печатных трудах общим объёмом 7 печатных листов (авторский вклад составляет 71 %), в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ведущих российских рецензируемых научных журналов [61, 62], рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 3 статьи в зарубежных изданиях, индексируемых в базе данных «Web of Science» [63, 66, 70]. В общей сложности по результатам работы подготовлено 16 публикации.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Борисов, Сергей Сергеевич

6. Результаты работы внедрены в производственную деятельность ОАО «НЛМК» и состоят в следующем:

Рассчитаны рациональные параметры холодной прокатки низколегированных высокопрочных сталей в условиях стана 2030. Разработаны рекомендации по начальной настройке стана, определены управляющие уставки процесса холодной прокатки высокопрочных автомобильных сталей, создан отдельный класс прочности для труднодеформируемых марок стали, данные внесены в автоматизированную систему управления технологическим процессом.

- Внедрение результатов работы позволило расширить марочный сортамент стана 2030, повысить качество листового проката; выход годного за счет уменьшения дефектов связанных с холодной прокаткой (продиры, риски, разнотолщинность), увеличился с 56 % до 83.85 %; это обеспечило экономический эффект, выразившийся в снижении себестоимости производства низколегированных сталей до 1500.3000 руб./т., в зависимости от марки стали.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Борисов, Сергей Сергеевич, 2013 год

1. DIN EN 10268 2006. Холоднокатаные изделия из стали с высоким пределом текучести для холодной обработки давлением Технические условия поставки.

2. Производство в ОАО HJIMK новых видов листового проката для автомобильной промышленности. /В. А. Пименов, А. С. Лукин, В. А. Белоусов, А. В. Сигорских ОАО «Черметинформация» Бюллетень «Черная металлургия» №12. 2010? С. 44-48.

3. Перспективы развития цеха ленты магнитогорского металлургического комбината в условиях глобального рынка / П.Н. Смирнов, И.И. Бондяев, Г.А. Куницын, Э.М. Голубчик // ОАО «Черметинформация». Бюллетень «Черная металлургия». 2005. № 1. С. 14-16.

4. Патент № 2450061 (РФ) МПК C21D8/04 (2006.01)С22С38/20 (2006.01)В21В 1/46 (2006.01). Способ производства горячекатаного рулонного проката низколегированной стали, от 20.01.2011г.;

5. Патент № 2452776 (РФ) МПК C21D 8/02 (2006.01); C21D 1/02 (2006.01); C21D 9/46 (2006.01). Способ производства листовой стали от 14.06.2011г.

6. Патент № 2361930 (РФ), МПК C21D8/04, В21В1/46, С22С38/06. Способ производства горячекатаного проката повышенной прочности / 2009.

7. Долматов А.П. Автоматизированное проектирование и реализация технологии холодной прокатки электротехнической стали / А.П. Долматов, В.Н. Скороходов, В.П. Настич, А.Е. Чеглов. М.: Наука и технологии. 2000. - 448 с.

8. Химич Г.JI. Оптимизация режимов холодной прокатки на ЭЦВМ / Г.Л. Химич, М.Б. Цалюк. М.: Металлургия, 1973. -256 с.

9. Кузнецов JI.A. Применение УВМ для оптимизации тонколистовой прокатки / J1.A. Кузнецов. М.: Металлургия, 1988. - 304 с.

10. Луговской В.М. Алгоритмы автоматизации листовых прокатных станов / В.М. Луговской. М.: Металлургия, 1976. - 320 с.

11. Луговской В.М. Математическая модель зоны деформации для алгоритмов управлениями станами холодной прокатки// В.М. Луговской //Производство высококачественного проката и покрытий: Сб. научн. тр. ЦНИИЧМ (МЧМ СССР) М.: Металлургия, 1986. - С. 3-7.

12. Полухин В.П. Математическое моделирование и расчет на ЭВМ листовых прокатных станов/ В.П. Полухин. М.: Металлургия, 1972. - 512 с.

13. Роберте В.Л. Холодная прокатка стали/ В.Л. Роберте. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. - 544 с.

14. Радченко K.M. Определение давления с учетом упругого сплющивания валков / K.M. Радченко // Автоматизация реверсивных станов холодной прокатки полосы. ЦНИИТЭИ приборостроения. М.: Металлургия 1986. - С. 58-62.

15. Малышко O.E. Имитационная модель стана непрерывной холодной прокатки / O.E. Малышко // Автоматизированное организационно-техническое управление процессами прокатного производства. Киев: Техшка. - 1989. - С. 1420.

16. Олефир Ф.Ф. К выбору модели расчета давления металла на валки при холодной прокатке для целей адаптивного управления/ Ф.Ф. Олефир, А.Д. Оржель, Л.А. Галушкин // Автоматизация прокатных станов. М.: Металлурги. - 1976. - С. 123-129.

17. Автоматизация в прокатных цехах / Карл Хайнц Момерц // Черные металлы. 1986. №7. С. 11-20.

18. Определение давления металла на валки с учетом их упругого сплющивания / Ю.В. Гесслер // Сталь. 1968. №9. С.815.

19. Полухин В.П. Алгоритмы расчета основных параметров прокатных станов/ В. П. Полухин, В. Н. Хлопонин, Е.В. Сигитов и др. М.: Металлургия, 1975.-232 с.

20. Расчет параметров листовой прокатки. Справочник / Ю.В. Коновалов, A.JI. Остапенко, В.И. Пономарев М.: Металлургия, 1986. - 429 с. -(Справочник «Металлургия»).

21. Хензель А. Расчет энергосиловых параметров при процессах обработки металлов давлением: Справочник/ А. Хензель, Т. Шпиттель. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. - 360 с.

22. Вусатовский 3. Основы проката / 3. Вусатовский М.: Металлургия, 1967.-582 с.

23. Королев А. А. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов/ А. А. Королев// Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1987. 480 с.

24. Кузнецов JI.A. Учет особенностей контактного тепловыделения при оценке температурного режима холодной прокатки/ JI.A. Кузнецов, В.А. Пименов, Е.И. Булатников // Известия вузов 4M. 1985 № 12. - С. 44-48.

25. Малышко O.E. Имитационная модель стана непрерывной холодной прокатки / O.E. Малышко // Автоматизированное организационно-техническое управление процессами прокатного производства. Киев: Техшка. - 1989. - С. 1420.

26. Целиков А.И. Теория прокатки. Справочник / А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин. -М.: Металлургия, 1982.-412 с.

27. Третьяков A.B. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / A.B. Третьяков, В.И. Зюзин. М.: Металлургия, 1973. -224 с.

28. Теория прокатки. Справочник / А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин и др. М.: Металлургия, 1982. - 335 с. - (Справочник «Металлургия»).

29. Полухин П.И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов / П.И. Полухин, г.я. Гунн, A.M. Галкин. М.: Металлургия, 1983. -488 с.

30. Андреюк Л.В. / Л.В. Андреюк, Г.Г. Тюленев // Сталь. 1972. - №9. С. 825-828.

31. Андреюк Л.В., / Л.В. Андреюк, Г.Г. Тюленев, Б.С. Прицкер // Сталь. -1972,-№6. С. 522-523.

32. Грудев А.П., Сигалов Ю.Б. Обработка металлов давлением: Научн. труд/ДМстИ. М. Металлургия 1970, №55, с. 98-102.

33. Грудев А.П., Сигалов Ю.Б. Обработка металлов давлением: Научн. труд/ДМстИ. М. Металлургия 1971, №56, с. 47-56.

34. Кузнецов Л.А., Пименов В.А., Булатников Е.И., Учет особенностей контактного тепловыделения при оценке температурного режима холодной прокатки/ Изв. Вузов. Черная металлургия. 1986. № 2. С. 44-48.

35. Третьяков A.B., Радченко K.M. Изменение механических свойств металлов и сплавов при холодной прокатке. Свердловск.: Мталлургиздат., 1960. -84 с.

36. Третьяков A.B., Трофимов Г.К., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия. 1964. - 223 с.

37. Третьяков A.B., Альбрехт эт.// Прокатное производство, вып. 11. М.: Металлургиздат., 1960. - С. 21-24.

38. Теория прокатки. Справочник. Под ред. В.И. Зюзина, A.B. Третьякова -М.: Металлургия, 1982. 172 с.

39. Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. Справочник / В.И. Зюзин, A.B. Третьяков. Челябинск: Металл, 1993.- 368 с.

40. Зюзин В.И. Сопротивление деформации главный фактор при расчете энергословых параметров обработки металлов давлением / В.И. Зюзин, A.B. Третьяков - МНТК «Антикор», Институт бизнеса и менеджмента металлургии. УДК 621.771.014.02

41. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов Т.2.М.: Металлургиздат, 1960. 416 с.

42. Исаев H.A. Теория и технология деформации металлов Научн. труд / H.A. Исаев, А.Е. Тиглянов // МИСиС. М. Металлургия. 1976. - №96. - С. 17-20.

43. Грубов В.И. Математическое моделирование непрерывных технологических процессов / В.И. Грубов // Киев. Изд-во Киевского университета.- 1971.- 172 с.

44. Мазур В.Д., Сафьян О.М., Приходько И.Ю., Яценко О.И. Управление качеством тонколистового проката Киев: Техника, 1997. - 384 с.

45. Ноговицын A.B., Мазур В.Л.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1980.- № 2. С. 68-72.

46. Белосевич В.К., Нетесов Н.П. Совершенствование процессов холодной прокатки. М.: Металлургия, 1971. 272 с.

47. Функе П., Коттман К.// Черные металлы. 1973. -№ 15. - С. 15-24.

48. Грудев А.П. Внешнее трение при прокатке. М.: Металлургия, 1973.288 с.

49. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. Трение и смазки при обработке металлов давлением: Справочник. -М.: Металлургия , 1982. 312 с.

50. Ноговицын A.B. //Сталь/ 1991. - № 2. - С. 46-59.

51. Мазур B.J1. Производство листа с высококачественной поверхностью. -К.: Техшка, 1982,- 165 с.

52. Третьяков A.B. Теория, расчет и исследование станов холодной прокатки. М. Металлургия, 1966. 250 с.

53. Старченко Д.И., Кузьмин Г.И., Обернихин С.А. Изв. вузов. Черная металлургия, 1967, №8 - с 86-91.

54. Старченко Д.И., Капланов В.И. Обработка металлов давлением: Научн. труд / Ждановский металлургический институт. М.: Металлургия, 1969, вып XVIII, С. 139-142.

55. Тюленев Г.Г. бюллетень института «Черметинформация» / Г.Г. Тюленев, Ю.А. Борисов, Р.Г. Кокорина, В.Ф. Антипов // 1975. - №15. С. 39.

56. Железное Ю.Д. Адаптивная идентификация параметров модели реверсивного стана холодной прокатки в замкнутой системе регулирования толщины полосы / Ю.Д. Железнов, JT.A. Кузнецов, АД. Гройсман // Изв. вузов. Черная металлургия. 1985. - №4. - С. 53-55.

57. Хикс Ч.Р. Основные принципы планирования эксперимента / Ч.Р. Хикс 1967. -406 с.

58. Мазур И.П. Математическое моделирование процесса холодной прокатки высокопрочной стали на непрерывном пятиклетевом стане 2030 / И.П. Мазур, А.П. Долматов, С.С. Борисов // Изв. вузов. Черная металлургия. 2010. № 5. С. 41-44.

59. Мазур И.П. Исследование упрочнения труднодеформируемой стали типа HSLA при холодной прокатке / И.П. Мазур, С.С. Борисов, А. Кавалек // Производство проката. 2012. №7. С. 8-13.

60. Mazur Igor P. Investigation and Numerical Modeling of the Process of Cold Rolling HSLA Steels / Igor P. Mazur, A.P. Dolmatov, S.S. Borisov // Materials Science Forum. Vols. 704-705. Trans Tech Publications, Switzerland. 2011/Dec/06, pp. 832-841.

61. Мазур И.П. Математическое моделирование процессов холодной прокатки на непрерывных широкополосных станах / И.П. Мазур, А.П. Долматов, С.С. Борисов // Обработка материалов давлением: Сб. научных трудов. Краматорск: ДГМА, 2009. №1 (20). С. 97 - 103.

62. Мазур И.П. Исследование процесса холодной прокатки высокопрочной стали на непрерывном пятиклетевом стане 2030 /, С.С. Борисов // Материалы научно-техн. конф. "Прогрессивные технологии пластической деформации". М: МиСиС, 2009. С. 356-358.

63. Борисов С.С. Исследование упрочнения труднодеформируемой стали HSLA при холодной прокатке / С.С. Борисов, И.П. Мазур, А. Кавалек // Сб. докладов межд. конф. «Инновационные технологии обработки металлов давлением». -М.: Изд. дом МИСиС, 2011. С. 212-220.

64. HSLA Steel Hardening in the Process of Cold Rolling / Borisov Sergey, Mazur Igor. // 21th International Conference on Metallurgy and Materials. May 2325, 2012. Brno, Czech Republic, EU. Conference proceedings. The Poster P-83. P. 102.

65. Борисов С.С., Мазур И.П. Программа расчета энергосиловых параметров холодной прокатки / ФГБОУ ВПО «ЛГТУ» УДК 621.771.01 Инвентарный номер ВНТИЦ 50201250486 от 27.04.2012г.