Повышение стойкости и оптимизация оборотного парка валков станов холодной прокатки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.04, кандидат технических наук Спиричев, Алексей Валентинович

• Спиричев, Алексей Валентинович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Спиричев, Алексей Валентинович

Введение.

1. Состояние вопроса со стойкостью валков в цехах холодной прокатки и режимами их эксплуатации.

1.1. Литературный и патентный обзор методов повышения стойкости и совершенствования режимов эксплуатации валков.

1.2. Исследования условий эксплуатации и стойкости валков в действующем производстве холоднокатаного листа.

Выводы по главе 1.

2. Анализ оборотного парка рабочих валков и разработка методов его оптимизации на непрерывных и дрессировочных станах.

2.1. Структура оборотного парка рабочих валков, существующие методы его комплектации и их связь с режимами эксплуатации валков.

2.2. Разработка новой математической модели комплектования оборотного парка валков на основе методов теории вероятностей.

2.3. Исследование распределения диаметров и маршрутов рабочих валков в процессе их эксплуатации на дрессировочных и непрерывных станах.

2.4. Расчет оптимального оборотного парка валков для одноклетевых дрессировочных станов.

2.5. Расчет оптимального оборотного парка валков для непрерывных станов холодной прокатки.

Выводы по главе 2.

3. Теория и технология поверхностного деформационного упрочнения опорных валков в процессе их эксплуатации на непрерывных станах.

3.1. Анализ напряженного состояния опорных валков, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению, на основе приближенной математической модели.

3.2. Разработка и апробация уточненной математической модели напряженного состояния опорных валков, подвергаемых поверхностному упрочнению.

3.3. Разработка и исследование технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков на 4-х и 5ти клетевых станах 1700.

Выводы по главе 3.

4. Промышленные испытания и внедрение усовершенствованных режимов эксплуатации валков.

4.1. Испытания и внедрение технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков на 5ти клетевом стане холодной прокатки.

4.2. Испытания и внедрение оптимального оборотного парка рабочих валков на одноклетевом дрессировочном стане.

4.3. Экономическая эффективность совершенствования режимов эксплуатации валков.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение стойкости и оптимизация оборотного парка валков станов холодной прокатки»

Одной из главных эксплуатационных характеристик как рабочих, так и опорных валков станов холодной прокатки является их стойкость. Как показывает опыт эксплуатации отечественных станов холодной прокатки и анализ стойкости валков, валки отечественных заводов-изготовителей (УЗТМ, НКМЗ, ЮУМЗ) подвержены частым повреждениям бочки. Причиной тому является как несовершенство технологии изготовления валков, так и особенности их эксплуатации в цехах холодной прокатки [42, 43].

Расход валков и затраты, связанные с их эксплуатацией, составляют существенную долю в себестоимости производства холоднокатаных листов. Помимо прямых затрат на приобретение валков для замены вышедших из строя, металлургические предприятия вынуждены расходовать значительные финансовые средства на их перешлифовку и вспомогательные операции, связанные с плановыми и внеплановыми перевалками и дополнительными простоями из-за повреждений поверхности валков при эксплуатации по технологическим причинам (наварам, порезам, вмятинам и др.), и по причинам контактно-усталостного характера (отколам, выкрошкам, отслоениям). Поэтому совершенствование технологии эксплуатации валков имеет большое значение для повышения конкурентоспособности металлургических предприятий.

Повысить стойкость валков можно, усовершенствовав технологию их изготовления [49, 51]. Однако существуют технологии, позволяющие повысить стойкость валков в процессе их эксплуатации. Так, основной причиной преждевременного выхода из строя опорных валков является разрушение их рабочей поверхности: усталостное выкрашивание и хрупкие сколы. Опыт применения на ряде отечественных станов холодной прокатки технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков методом обкатки в силовом контакте с рабочими валками [14, 15, 16, 37] показал, что данная технология обеспечивает повышение твердости поверхности бочки опорных валков, а также способствует снижению их склонности к выкрашиванию. Основным недостатком этого метода повышения стойкости валков является то, что режимы упрочнения подбирались эмпирически, без учета напряженного состояния поверхностного слоя валков. В связи с чем было невозможно оптимизировать усилия упрочнения и добиться максимального эффекта.

Технология механического упрочнения пластическим деформированием успешно применяется в различных отраслях машиностроения [21, 22, 23, 24]. Однако, теоретические аспекты упрочнения прокатных валков не были достаточно проработаны. Поэтому одной из целей диссертационной работы являлась разработка теоретически обоснованной технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков станов холодной прокатки путем создания математической модели напряженного состояния валков, подвергаемых упрочнению.

Резерв повышения стойкости и снижения расхода рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов заложен и в совершенствовании технологии их эксплуатации. Так, практика комплектации валков в пары при шлифовке характерна для многих отечественных заводов. При этом имеет место перерасход закаленного слоя валков вследствие подгонки по диаметру парного валка принудительной его сошлифовкой. Причина такой ситуации -отсутствие научно-обоснованной методики расчета величины оборотного парка валков, исключающей их подгонку по диаметрам. Поэтому в диссертационной работе была поставлена задача разработать на основе методов теории вероятностей новую методику комплектования оборотного парка рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов, исключающую перерасход закаленного слоя валков по вышеперечисленным причинам.

Все исследования и разработки по теме диссертации проводились по двум основным направлениям, в рамках которых были поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретические исследования: разработка математической модели комплектования оборотного парка рабочих валков станов холодной прокатки; определено оптимальное количество валков в оборотном парке станов с учетом требуемой разности диаметров парных валков и их оборачиваемости; математическое моделирование напряженного состояния опорных валков, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению методом обкатки; оптимизированы режимы упрочнения опорных валков с учетом основных положений теорий упругости и пластичности, глубиной наклепа при упрочнении, предела текучести материала валка после упрочнения, а также исходной твердости валков.

2. Экспериментальные исследования: проведены промышленные испытания и внедрение технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков на 5-ти клетевом стане 1700 холодной прокатки, а также промышленные испытания технологии упрочнения на 4-х клетевом стане 1700; проведены исследования новой методики комплектования оборотного парка рабочих валков на одноклетевом дрессировочном стане. Проведенными исследованиями подтверждена достоверность разработанных математических моделей напряженного состояния и комплектования оборотного парка валков.

Работа выполнялась в Череповецком государственном университете, экспериментальные исследования проводились в Производстве холоднокатаного листа ОАО «Северсталь».

Заключение диссертации по теме «Машины и агрегаты металлургического производства», Спиричев, Алексей Валентинович

7. Результаты работы реализованы в следующих видах:

7.1. Внедрение на дрессировочном стане № 2 ГТХЛ ОАО «Северсталь» в 1999 году измененных условий подготовки рабочих валков к эксплуатации, исключающих их повышенный расход из-за подгонки по диаметру:

• отшлифованные валки накапливаются на стеллаже;

• комплектация в пары выполняется из числа уже отшлифованных валков, находящихся на стеллаже.

7.2. Внедрение в 1999 году на 5-ти клетевом стане 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь» технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков (изменение № 4 от 17.03.99 к технологической инструкции ТИ 105-ПХЛ-16-96).

8. Материалы диссертации представлены на Первой областной межвузовской научно-практической конференции «Вузовская наука -региону», Вологда, май 2000 г., и на Международной научно-технической конференции «Павловские чтения», Москва, октябрь 2000 г.

9. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, получен 1 патент на изобретение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ОБЩИЕ ВЫВОДЫ)

Методами математического моделирования и промышленных испытаний проведены исследования разработанных мероприятий по повышению стойкости и оптимизации оборотного парка валков станов холодной прокатки. Результаты проведенной работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что регулярно проводимый анализ причин перевалок, перешлифовок валков и расхода их закаленного слоя наряду с анализом причин списания способствует совершенствованию технологии эксплуатации валков и позволяет разработать эффективные мероприятия по увеличению их стойкости и сокращению расхода.

В результате такого анализа получена статистически достоверная зависимость стойкости рабочих валков от величины съема закаленного слоя после наваров. Установлено, что съем закаленного слоя на глубину 0,6 мм вместо 0,3-0,5 позволяет полностью устранить вредные последствия навара. Стойкость валков при этом возрастает в 2-3 раза. Регулярно проводимый анализ условий эксплуатации позволил выявить возможность снижения расхода рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов за счет изменения существующей методики комплектования оборотного парка валков этих станов.

2. Впервые разработана на основе методов теории вероятностей математическая модель комплектования оборотного парка валков станов холодной прокатки, позволяющая определять оптимальное количество валков в оборотном парке с учетом требуемой разности диаметров парных валков и их оборачиваемости.

В результате моделирования установлено, что переход на новую методику расчета величины оборотного парка позволит, исключив подгонку по диаметру, уменьшить парк рабочих валков на дрессировочных станах - на 3н-31%, на непрерывных при использовании универсальной профилировки

- на 4-^-12% , а в перспективе (в случае применения валков, изготовленных центробежным литьем) - на 22н-24%.

3. Достоверность разработанной математической модели подтверждена результатами промышленных испытаний новой методики комплектования оборотного парка рабочих валков на дрессировочном стане № 2 ПХЛ ОАО «Северсталь»:

• исключена подгонка по диаметру;

• комплектация в пары осуществляется из числа уже отшлифованных валков;

• сокращение оборотного парка рабочих валков не вызывает увеличения расхода их закаленного слоя.

4. Впервые разработаны математические модели напряженного состояния опорных валков стана холодной прокатки, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению методом обкатки в силовом контакте с рабочими валками.

Модели позволяют определять степень упрочнения и изменение запаса усталостной прочности материала поверхностного слоя опорных валков в функции режима упрочнения с учетом:

• основных положений теорий упругости и пластичности;

• глубины наклепа при расчетах остаточных напряжений;

• предела текучести материала валка после упрочнения;

• исходной твердости опорных валков.

5. С использованием математических моделей напряженного состояния разработаны режимы поверхностного и деформационного упрочнения опорных валков непрерывных станов холодной прокатки.

6. Достоверность математических моделей напряженного состояния подтверждена результатами промышленных испытаний разработанных режимов упрочнения на 4-х и 5-ти клетевых станах 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь»:

• средний съем закаленного слоя при плановых перешлифовках в результате применения упрочнения снизился на 32%;

• частота появления дефекта «выкрошка» снизилась почти в 2 раза, а доля плановых перешлифовок увеличилась более чем на 40%;

• средняя стойкость опорных валков увеличилась на 41,3%;

• использование рабочего слоя валками возросло на 28,4%о.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Спиричев, Алексей Валентинович, 2000 год

1. Целиков А.И., Полухин П.И. и др. Машины и агрегаты металлургических заводов (т.З - Машины и агрегаты для прокатки и отделки проката) М., 1981. 576 с.

2. Полухин В.П., Николаев В.А. и др. Надежность и долговечность валков холодной прокатки. М., 1976. 448 с.

3. Гостев A.A., Вдовин К.Н., Куц В.А. и др. Производство и эксплуатация валков на металлургическом предприятии. Том I. Изготовление валков. М., 1997. 185 с.

4. Ефименко С.П., Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. и др. Повышение стойкости опорных валков стана холодной прокатки методом поверхностного деформационного упрочнения // Бюллетень ЧерМетИнформация, выпуск 11-12, 1998, с.55-58

5. Гарбер Э.А. , Ефименко С.П., Спиричев A.B. Повышение стойкости валков холодной прокатки путем совершенствования их эксплуатации // Бюллетень ЧерМетИнформация, выпуск 3-4, 1999, с.53-55

6. Грудев П.И. Сталь, 1967, № 7, с.634-636

7. Боровик Л.И. Эксплуатация валков станов холодной прокатки. М., 1968.

8. Полухин П.И. и др. Тонколистовая прокатка и служба валков. М., 1967.

9. Боровик Л.И., Добронравов А.И. Технология подготовки и эксплуатации валков тонколистовых станов. М., 1984, с. 62-66

10. O.A. с. 1424890 (СССР) МКИ В21В 28/02, 1988.1. .А. с. 1794513 (СССР) МКИ В21В 28/02, 1993.

11. Патент 2096103 РФ, МКИ В21В 28/02, 1997.

12. Патент 2131311 РФ, МКИ В21В 28/02. Способ подготовки к эксплуатации валков листопрокатной клети кварто/Луканин Ю.В., Ефименко СЛ.,Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. Опубл. 10.06.99, бюл.16.

13. Цун A.M., Фиркович А.Ю., Добронравов А.И. и др. Повышение работоспособности опорных валков стана кварто методом обкатки. -Сталь, 1983, №9, с.57-59.

14. Фиркович А.Ю., Цун A.M., Добронравов А.И. и др. Поверхностный наклеп опорных валков. Металлург, 1982, № 1, с.40.

15. А. с. 884754 (СССР). Способ подготовки опорных валков к работе. Стариков А.И., Фиркович А.Ю., Цун A.M. и др. Опубл. 1981, бюл. 44.

16. А. с. 1005965 (СССР). Способ нагрева прокатных валков клети кварто. Шичкин И.Н., Елесин П.З., Цун A.M. и др. Опубл. 1983, бюл. 11.

17. Гарбер Э.А., Гончарский A.A., Спиричев A.B. и др. Новая методика расчета оборотного парка валков в цехах холодной прокатки // Производство проката, 2000, № 1, с. 36-43.

18. Вентцель Е.С., Овчаров J1.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М. : Наука, 1988. 480 с.

19. Основы кибернетики. Теория кибернетических систем / Под ред. Пупкова К.А. Учебное пособие для вузов. М., 1976, 408 с.

20. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М., 1978, 184 с.

21. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. М., 1975, 160 с.

22. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость крупных деталей машин. М., 1981, 240 с.

23. Кудрявцев Н.В., Петушков Г.Е. Влияние кривизны поверхности на глубину пластической деформации при упрочнении поверхностным наклепом.// Вестник машиностроения. 1966. №7, с 41-43.

24. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.Н. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М., 1986, 224 с.

25. Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения. М., 1965. 172 с.

26. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович A.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М., 1975, 488 с.

27. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М., 1977, 232 с.

28. Гузенков П.Г. Деталь машин. М., 1982, 352 с.

29. Третьяков A.B., Гарбер Э.А. Расчет и исследование валков холодной прокатки. М., 1966. 179 с.

30. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B. и др. Моделирование напряженного состояния опорных валков станов холодной прокатки, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению // Производство проката. 2000. № 5, с. 6-10.

31. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B. Определение предела текучести поверхности слоя валков по твердости их поверхности // Производство проката. 2000. № 9, с.

32. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B. Напряженное состояние опорных валков стана холодной прокатки, упрочняемых обкаткой в рабочей клети // Производство проката. 2000. № с

33. Ефименко С.П., Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. и др. Поверхностное деформационное упрочнение опорных валков на 5-ти клетевом стане 1700 // Производство проката. 1999. № 8, с. 12-15.

34. Николаев В.А., Пименов А.Ф., Скороходов В.Н. Разработка и внедрение режимов поверхностного пластического деформационного упрочнения прокатных валков // Производство проката. 1999. № 10, с. 16-19.

35. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением. М., 1973, 495 с.

36. Волков О.И. Экономика предприятия. М., 1998, с. 148.

37. Гарбер Э.А., Гончарский A.A., Спиричев A.B. и др. Основы расчета оптимального оборотного парка и рационального маршрута валков в цехах холодной прокатки // Труды третьего конгресса прокатчиков (Липецк, 19-22 октября 1999), Москва, 2000.

38. Аркулис Г.Э., Цун A.M. Причины разрушения валков холодной прокатки // Сталь, 1978, № 7, с.638-639.

39. Склюев П.В., Петров Б.Д. и др. Опорные валки станов холодной прокатки. М., 1967. 67 с.

40. Илюкович Б.М. Стойкость и расход прокатных валков. М., 1964. 110 с.

41. Полухин П.И., Николаев В.А. и др. Прочность прокатных валков. Алма-Ата, 1984. 295 с.

42. Новиков В.Н., Белосевич В.К. Валки листовых станов холодной прокатки. М., 1970. 336 с.

43. Соколов В.Е., Рудюк С.И. Повышение стойкости прокатных валков. М., 1975. 48 с.

44. Шеенко И.Н., Школяренко Г.Д. и др. Повышение стойкости прокатных валков. // Черметинформация, М., 1984. 7 с.

45. Москалев А.Н. и др. Повышение эффективности производства и эксплуатации прокатных валков М., 1983. 63 с.

46. Полухин П.И., Николаев В.А., Полухин В.П. Повышение качества и снижение расхода валков листовых станов // Сталь, 1979, № 11. с. 848-853.

47. Морозов Н.П., Николаев В.А. и др. Производство и эксплуатация крупных опорных валков. М., 1977. 128 с.

48. Полухин П.П., Пименов Г.А., Николаев В.А. и др. Производства крупных опорных валков и пути повышения их стойкости // НИИинформтяжмаш, М., 1974, №2. 48 с.

49. Кудрявцев И.В., Минков Я.Л., Дворников Е.Э. Повышение прочности и долговечности крупных деталей машин поверхностным наклепом // НИИинформтяжмаш, М., 1970, № 12. 144 с.

50. Антонов С.П., Полухин В.П., Николаев В.А. и др. Повышение износостойкости валков непрерывных широкополосных станов холодной прокатки // Сталь, 1973, № 3. с. 426-429.

51. Полухин В.П., Андрианов Н.Ф. Исследование напряженного состояния прокатных валков методом пространственной задачи теории упругости // Известия вузов. Черная металлургия, 1975, № 12. с. 65-67.

52. Диомидов Б.Б., Литовченко Н.В. Технология прокатного производства. М., 1979. 488 с.

53. Полухин В.П., Бернштейн М.Л. и др. Валки многовалковых станов. М., 1983. 129 с.

54. Гун Т.С., Соколов В.Е., Огарков H.H. Обработка прокатных валков. М., 1983. 111 с.

55. Могилев В.К., Лев О.И. Повышение стойкости изложниц и прокатных валков. М., 1986. 116 с.112

56. Кузнецов Ю.Е. и др. Новые методы поверхностного упрочнения прокатных валков. М., 1984. 32 с.