Разработка рекомендаций по повышению производительности толстолистового стана 5000 ОАО "Северсталь" на основе расчета энергосиловых параметров прокатки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат наук Шишов, Иван Александрович

• Шишов, Иван Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Шишов, Иван Александрович

Содержание

Введение

Глава 1. Математические модели прогнозирования энергосиловых параметров как важная часть системы автоматического управления станом 5000 ОАО "Северсталь"

1.1. Производство штрипса из трубных марок стали на стане 5000

1.1.1. Основные технологии прокатки толстых листов из трубных марок стали на стане 5000

1Л .2. Система автоматизации, существующая на стане 5000: достоинства и недостатки

1.1.3. Необходимость создания нового математического обеспечения системы управления станом

1.2. Влияние напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации на усилие прокатки и качество готового листа

1.2.1. Методы исследования напряженно-деформированного состояния металла при прокатке

1.2.2. Особенности напряженно-деформированного состояния металла в условиях высоких и средних очагов деформации

1.3. Существующие методики расчета энергосиловых параметров прокатки

1.3.1. Методики расчета усилия прокатки

1.3.2. Взаимосвязь усилия прокатки и момента на валу электродвигателя

1.3.3. Взаимосвязь момента на валу и током в якоре электродвигателя

Глава 2. Экспериментальные исследования реологических и релаксационных свойств трубной стали категории прочности К60

2.1. Описание методики экспериментальных исследований

2.2. Исследование реологических свойств стали К60

2.3. Исследование кинетики роста зерна аустенита для стали К60

2.4. Исследование релаксационных свойств стали К60

2.5. Перспективы использования методики для расчета сопротивления деформации других марок сталей

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Разработка методики расчета среднемассовой температуры раската по ходу прокатки на стане 5000

3.1. Постановка и решение задачи об охлаждении сляба на участке предварительных операций в пакете Ое/огт-ЗО

3.2. Постановка и решение термодеформационной задачи горячей прокатки на стане 5000

3.3. Проверка адекватности выполненных расчетов

3.4. Построение упрощенных зависимостей для оценки изменения среднемассовой температуры по ходу прокатки

3.4.1. Методы построения упрощенных зависимостей для оценки изменения среднемассовой температуры по ходу прокатки

3.4.2. Построение упрощенных зависимостей для оценки изменения среднемассовой температуры сляба на этапе предварительных операций

3.4.3. Построение упрощенных зависимостей для оценки изменения среднемассовой температуры

сляба на этапе прокатки

3.5. Выводы по главе

Глава 4. Разработка методики расчета формоизменения раската при прокатке на стане 5000

4.1. Особенности постановки деформационной задачи прокатки толстого листа на стане 5000

4.2. Экспериментальное исследование уширения металла при горячей прокатке на стане 5000

4.3. Определение коэффициента термического расширения металла

4.4. Построение упрощенных математических моделей уширения и удлинения металла на основании решения деформационной задачи в Deform-3D

4.5. Выводы по главе

Глава 5. Корректировка методик расчета энергосиловых параметров применительно к условиям стана 5000

5.1. Корректировка методик расчета усилия прокатки к условиям стана 5000

5.1.1. Исследование влияния неравномерности температур по высоте раската на НДС металла в очаге деформации

5.1.2. Разработка технологических рекомендаций по совершенствованию технологии прокатки для улучшения структуры толстого листа

5.1.3. Учет влияния неравномерности температур по высоте раската на усилие прокатки в условиях высокого очага деформации

5.1.4. Корректировка методики расчета усилия прокатки в условиях средних очагов деформации

5.2. Адаптация методики расчета момента прокатки к условиям стана 5000

5.3. Определение коэффициента взаимосвязи между моментом на валу и током в якоре электродвигателя

5.4. Результаты расчетов энергосиловых параметров прокатки с использованием комплекса разработанных моделей

5.5. Структура алгоритма расчета режимов прокатки с максимально

допустимыми по энергосиловыми параметрам обжатиями

5.6. Оценка возможности использования разработанных моделей для оптимизации технологий прокатки по производительности

5.7. Выводы по главе

Общие выводы

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка рекомендаций по повышению производительности толстолистового стана 5000 ОАО "Северсталь" на основе расчета энергосиловых параметров прокатки»

Введение

В течение последних десятилетий Россия является крупнейшим поставщиком природного газа в страны Европы и Азии. В связи с этим производство труб большого диаметра из высокопрочных сталей для магистральных трубопроводов является важной государственной задачей. Производство толстого широкого листа из трубных сталей постоянно расширяется, а требования к штрипсу и трубам ужесточаются вследствие увеличения рабочего давления в трубопроводах и необходимости их эксплуатации в сейсмоопасных зонах и районах Крайнего Севера.

До последнего времени стан 5000 ОАО "Северсталь", введенный в эксплуатацию в 1985 г., был единственным производителем толстого листа для труб большого диаметра в России. Но в 2009 и 2011 гг. были запущены более современные, мощные и высокопроизводительные станы на Магнитогорском и Вык-сунском металлургических комбинатах, в связи с чем из-за необходимости поддержания конкурентоспособности продукции стана 5000 перед ОАО "Северсталь" встали задачи обеспечения высокого качества производимого металла и одновременного снижения затрат на его производство.

Сокращение издержек при сохранении качества продукции может быть достигнуто путем обеспечения максимальной производительности за счет назначения режимов прокатки с максимально допустимыми энергосиловыми параметрами, исключения вынужденных простоев, связанных с поломками оборудования из-за перегрузки, сокращения времени технологических операций.

Для обеспечения оптимальной загрузки стана была внедрена система автоматического управления, разработанная компанией Siemens. В качестве математического обеспечения системы разработчиками предложена модель, аналогичная используемой в компании Voest Alpine Industrieanlagenbau {VAT). К сожалению, использование модели VAI при работе в автоматическом режиме в условиях стана 5000 приводит к его недогрузке - обжатия в проходах снижаются, а общее число проходов для достижения конечной толщины листа увеличивается на 20-30% по сравнению с возможностями оборудования. Известно, что прокатка толстого ли-

ста с малыми обжатиями негативно сказывается на проработке металла в центральных слоях раската и может вызывать возникновение трещин. В конечном итоге это может негативно влиять на структуру и механические свойства готового листа. Прокатка в ручном режиме в ряде случаев позволяет избежать недогрузки стана, но ошибки операторов исключить невозможно.

В связи с этим возникает производственная задача, которая во многом предопределила цель данной работы - создание нового математического обеспечения для системы управления, в первую очередь — разработка алгоритмов управления станом и оптимизации режимов обжатий по энергосиловым параметрам. Алгоритмы управления и оптимизации должны быть быстродействующими, чтобы обеспечить пересчет режимов прокатки в опНпе-режиме, т.е. оперативно изменять режим обжатий по ходу прокатки.

Эти работы являются первым этапом большой совместной работы ОАО "Северсталь" и СПбГПУ по созданию комплексной модели управления станом, включающей модули для управления параметрами структуры, механическими и динамическими свойствами прокатываемых сталей.

Таким образом, цель работы - создание совокупности быстродействующих математических моделей для интегрирования в систему управления станом, позволяющих оптимизировать режимы прокатки сталей по энергосиловым параметрам для обеспечения максимальной производительности, на примере трубной стали категории прочности К60, занимающей сегодня основное место в сортаменте стана.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Исследовать сопротивление деформации и релаксационные свойства стали К60 в зависимости от температуры, степени, скорости деформации, накопленной деформации и времени междеформационных пауз.

2. Создать модель процесса горячей прокатки на стане 5000 с использованием программы конечноэлементного моделирования Ие/огт-3£). Решить темпера-турно-деформационную задачу о прокатке толстого листа из исследуемой стали.

3. Разработать быстродействующие математические модели расчета изменения температуры сляба/раската, начиная от выдачи сляба из печи и заканчивая чистовой прокаткой с использованием как результатов расчетов в Ое/огт-ЪО, так и экспериментальных измерений на стане.

4. Исследовать особенности напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации при горячей прокатке толстого листа из слябов толщиной 250 и 313 мм с учетом неравномерности распределения температур и деформаций по сечению очага деформации и влияния формы очага деформации. Скорректировать на основе полученных результатов математические модели для расчета усилия прокатки, момента на валу и тока в якоре электродвигателей стана.

5. Исследовать особенности формоизменения раската при прокатке на стане 5000 с использованием модели процесса прокатки в Ое/огт-ЪВ и экспериментальных измерений на стане. Создать быстродействующие математические модели для расчета уширения и удлинения раската для обеспечения возможности точного расчета площади контакта металла с прокатными валками, определяющей усилие прокатки.

6. Оценить возможность использования комплекса разработанных быстродействующих математических моделей в алгоритмах оптимизации режимов прокатки по энергосиловым параметрам в зависимости от используемой технологии прокатки толстого листа.

При выполнении работы получены результаты, отличающиеся научной новизной, в том числе:

1. Скорректированы методики расчета усилия прокатки, момента прокатки, тока в якоре электродвигателя для стана 5000 при прокатке толстого листа, а именно: • на основании анализа напряженно-деформированного состояния металла при прокатке толстого листа, выполненного при помощи математического моделирования, в методику расчета усилия прокатки в условиях высокого очага деформации введена поправка, учитывающая существенное влияние неравномерности температурного поля раската;

• на основании сопоставления экспериментальных и расчетных значений энергосиловых параметров определены калибровочные коэффициенты в формулах расчета коэффициента напряженного состояния при определении усилия прокатки в условиях среднего очага деформации, расчета коэффициента плеча равнодействующей при определении момента прокатки, установлен коэффициент пропорциональности между моментом на валу и током в якоре электродвигателей стана.

В результате внесенных изменений в методики расчета энергосиловых параметров для установившегося процесса прокатки средняя относительная ошибка расчета усилия прокатки для выборки из 2111 проходов составила 5,6 %, момента на валу электродвигателя для выборки из 93 проходов — 4,4 %, тока в якоре электродвигателя при той же выборке - 3,8%.

2. Получены количественные соотношения основных параметров прокатки и интенсивности деформации в центральных слоях раската с учетом неравномерности температурного поля. Это обеспечивает дополнительную возможность управления качеством готового проката, в частности, равномерностью структуры и механических свойств по толщине.

3. Предложены алгоритмы расчета режимов обжатий, обеспечивающие максимально допустимую загрузку стана 5000 по энергосиловым параметрам. Алгоритмы включают в себя совокупность разработанных математических моделей, позволяющих с высокой точностью рассчитывать энергосиловые параметры прокатки.

Практическая значимость результатов работы. В результате выполненных работ создан комплекс быстродействующих математических моделей для расчета энергосиловых параметров с высокой точностью, на основе которого разработаны алгоритмы расчета режимов обжатий с максимально возможными энергосиловыми параметрами. Комплекс принят к внедрению в систему автоматического управления станом 5000 ОАО "Северсталь" (акт внедрения результатов работ от 17.10.2013), что позволит обеспечить оптимальную загрузку стана и

предотвратить превышение предельных значений энергосиловых параметров при прокатке.

Апробация результатов работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на 9-ой Международной научно-технической конференции "Современные металлические материалы и технологии " (СММТ'11, 22-24 июня 2011, СПб); Международной научно-практической конференции "ХЬ Неделя науки СПбГПУ", (5-10 декабря 2011, СПб); 6-ой Международной молодежной научно-практической конференции "Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина" (26-30 октября 2012, Екатеринбург); Научно-практической конференции с международным участием "ХЫ Неделя науки СПбГПУ", (3-8 декабря 2012, СПб); Молодежной научной конференции "Студенты и молодые ученые — инновационной России" (23-24 мая 2013, СПб); 10-ой Международной научно-технической конференции "Современные металлические материалы и технологии" (СММТ'13, 25-29 июня 2013, СПб); 1-ой Международной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в черной металлургии" (2-4 октября 2013, Череповец).

Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечена:

• использованием аттестованного оборудования лаборатории "Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов" СПбГПУ для исследования структуры и свойств металла;

• применением современного исследовательского оборудования для физического моделирования - комплекса аееЫе-3800, измерительные устройства которого обслуживаются фирмой-изготовителем;

• использованием лицензионной программы конечноэлементного моделирования Ие/огт-ЗД-

• выполнением экспериментальных измерений на стане при помощи поверенного промышленного измерительного оборудования;

• статистической обработкой результатов исследований.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 3 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 111 наименований и двух приложений. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 101 рисунок и 28 таблиц.

Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории «Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов» НИИ Материалов и технологий СПбГПУ и технологам листопрокатного цеха №3 ОАО "Северсталь" за помощь, оказанную при выполнении работы.

В первой главе представлен аналитический обзор выполненных ранее работ по прокатке толстого листа: теоретические и экспериментальные методы анализа напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации, методы расчета и экспериментального определения сопротивления деформации. Представлены основные математические модели для расчета энергосиловых параметров прокатки, используемых в современных математических моделях прокатных станов. Показаны достоинства и недостатки этих моделей.

Во второй главе выполнено исследование сопротивления деформации трубной стали категории прочности К60 в диапазонах температур черновой и чистовой прокатки, а также релаксационных свойств стали в зависимости от степени, скорости деформации и времени междеформационной паузы, скорость роста зерна аустенита. Исследования, выполненные на модуле Hydrawedge комплекса 01ееЫе-3800, показали, что за время междеформационных пауз при черновой прокатке для среднемассовой температуры металла процессы релаксации напряжений и снятия деформационного упрочнения происходят практически полностью, а при чистовой прокатке происходит накопление деформационного упрочнения (накопление деформации), которое необходимо учитывать при расчете сопротивления деформации.

Полученная при выполнении экспериментов информация о сопротивлении деформации стали К60 была интегрирована в компьютерную программу

АшЕуо1+, разработанную ранее в лаборатории "Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов" СПбГПУ.

Все дальнейшие расчеты сопротивления деформации выполнены при помощи этой программы, учитывающей возможности протекания в металле процессов деформационного упрочнения, динамической и статической рекристаллизации, термического возврата и выделения карбонитридов микролегирующих элементов. Для встраивания в систему автоматического управления станом была подготовлена специальная динамически подключаемая библиотека расчета сопротивления деформации на языке программирования С++.

Третья глава посвящена решению термодеформационной задачи о горячей прокатке толстого листа на стане 5000.

Решение температурной задачи в Ве/огт-ЗВ позволило оценить изменение среднемассовой температуры сляба при прохождении предварительных операций (транспортировка к гидросбиву окалины, непосредственно гидросбив, транспортировка до прокатной клети). На основании выполненных расчетов получены быстродействующие параметрические зависимости падения среднемассовой температуры для головной, хвостовой и центральной частей раската от времени операции.

Решение термодеформационной задачи о горячей прокатке толстого листа в пакете Ве/огт-ЗВ, выполненное при помощи созданной конечноэлементной модели процесса прокатки, позволило определить распределения температур по сечению слябов/раскатов при прокатке по различным режимам обжатий. По результатам выполненных расчетов и проведенных промышленных измерений температуры, получены быстродействующие параметрические зависимости изменения среднемассовой температуры по ходу прокатки и разработан алгоритм ее расчета для хвостовой, головной и центральной частей раската.

В четвертой главе изложены результаты исследований по разработке упрощенной быстродействующей методики расчета формоизменения прокатываемой полосы.

Для исследования формоизменения раската по ходу прокатки был проведен

промышленный эксперимент, который показал, что фактическое уширение металла очень мало, а необходимые конечные габариты раската могут быть достигнуты только за счет удлинения. Также уширение и удлинение неравномерны по различным участкам раската. Для более детального анализа формоизменения раската в ходе прокатки использовали математическое моделирование в Ое/огт-ЪВ. Расчеты показали, что основными факторами, влияющими на уширение и удлинение металла при горячей прокатке на стане 5000, являются ширина очага деформации (Во/Г), высота очага деформации (///гср), а также степень деформации металла.

На основании этого, с учетом литературных рекомендаций, были предложены простые уравнения для вычисления удлинения по средней и кромочной части раската, уширения по головной, средней и хвостовой части раската. Методом наименьших квадратов были получены коэффициенты этих уравнений, обеспечивающие наименьшее расхождение рассчитанных значений с результатами измерений геометрии готовых листов и недокатов.

В пятой главе рассмотрены особенности очага деформации при прокатке толстого листа с учетом неравномерности распределения температуры по толщине раската.

Расчетами в пакете Ие/огт-ЪВ показано, что в условиях высокого очага деформации сила прокатки существенно зависит от соотношения толщин разогретых и захоложенных слоев металла. Для учета этого факта в методику расчета усилия прокатки была введена соответствующая поправка.

При помощи расчетов в Ве/огт-ЪИ установлено, что чем выше толщина и ниже температура захоложенных поверхностных слоев (корочек), тем интенсивнее убывают растягивающие напряжения в центральных слоях металла при возрастании обжатия. Наличие захоложенных корочек значительно увеличивает интенсивность деформации в центральной по толщине части прокатываемого листа, что может существенно повысить качество металла.

Полученные результаты позволили скорректировать методику расчета усилия прокатки в условиях высокого очага деформации.

На основании сопоставления расчетных и экспериментальных значений энергосиловых параметров, скорректированы методики расчета усилия прокатки в условиях среднего очага деформации, момента прокатки, найден коэффициент взаимосвязи между моментом на валу и током в якоре электродвигателей стана.

Внесенные изменения позволили обеспечить высокую точность расчетов.

При помощи разработанных моделей количественно оценены возможности значительного уменьшения времени промежуточного подстуживания за счет использования установки контролируемого охлаждения и оптимизации существующих режимов прокатки по производительности путем сокращения общего количество проходов за счет увеличения обжатий. Для оптимизации прокатки по энергосиловым параметрам предложены быстродействующие алгоритмы для различных технологий прокатки толстого листа, предназначенные для интегрирования в систему управления станом 5000.

В ПРИЛОЖЕНИИ А представлены блок-схемы алгоритмов расчета протяжных, уширительных и продольных пропусков, позволяющие обеспечить максимальную загрузку стана по энергосиловым параметрам.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б содержит акт внедрения результатов работ в систему автоматического управления станом 5000 ОАО "Северсталь" от 17.10.2013.

Глава 1. Математические модели прогнозирования энергосиловых параметров как важная часть системы автоматического управления станом 5000

ОАО "Северсталь"

1.1. Производство штрипса из трубных марок стали на стане 5000

Магистральные газопроводы, обеспечивающие транспортировку природного газа из районов добычи к потребителям, являются главным звеном Единой системы газоснабжения России. Около 65% из них составляют газопроводы большого диаметра (1020-1420 мм). Вследствие крайне неблагоприятных условий эксплуатации магистральных газопроводов (низкая температура окружающей среды, высокое внутреннее давление, коррозия из-за транспортировки химически агрессивного природного газа), к качеству толстолистового проката, используемого для производства труб большого диаметра, предъявляют высокие требования [1].

Основными нормируемыми характеристиками трубных сталей являются временное сопротивление разрыву ав, предел текучести ах, относительное удлинение при разрыве 8, размер ферритного зерна, полосчатость; сплошность при ультразвуковом контроле по всей поверхности листа; допуски на геометрию листа, допуски по поверхностным дефектам, химический состав по основным, микролегирующим и примесным элементам [2,3].

Химические составы и основные характеристики некоторых трубных сталей приведены в табл. 1.1 и 1.2.

В настоящее время ОАО «Газпром», на долю которого приходится 15% мировой и 78% российской добычи газа, реализует масштабные проекты освоения газовых ресурсов полуострова Ямал, Восточной Сибири и Дальнего Востока, поэтому его потребность в трубах большого диаметра существенно возрастает. В связи с усложнением условий эксплуатации требования к штрипсовому прокату ужесточаются. Сегодня актуален вопрос о производстве сталей классов прочности К65-К70 (Х80-Х90) со следующими характеристиками: ав = 640-690 МПа, ат = 540-630 МПа [4]. Повышенные требования по качеству сталей и труб вызывают

Таблица 1.1.

Химический состав сталей для газопроводных труб большого диаметра

Содержание элемента, %

Марка стали • С ' Мп . - 1 51 Б Р ЫЬ И

не более

09Г2ФБ >0,13 >1,7 >0,35 0,007 0,020 >0,05 >0,09 0,010-0,035

13Г1СБ-У 0,2-0,15 1,30-1,60 0,4-0,6 0,007 0,025 0,045 - 0,015-0,035

10Г2ФБЮ 0,09-0,12 1,55-1,75 0,15-0,50 0,006 0,020 0,02-0,05 0,08-0,12 0,010-0,035

10Г2ФБ 0,08-0,13 1,55-1,75 0,16-0,38 0,006 0,020 0,03-0,06 0,09-0,12 0,010-0,035

10Г2ФБ-У 0,09-0,13 1,55-1,75 0,15-0,35 0,004 0,020 0,02-0,04 0,09-0,12 0,010-0,035

Таблица 1.2.

Механические свойства сталей для газопроводных труб большого диаметра

Марка стали Класс прочности Диаметр трубы, мм ов, МПа аг. МПа

09Г2ФБ К56 1420 550-670 450-570

13Г1СБ-У К58 1220 570-690 490-610

10Г2ФБЮ К60 720-1020 590-690 480-580

10Г2ФБ К60 1420 (рабочее давление до 8,4 МПа) 590-690 480-580

10Г2ФБ-У К60 1420 (рабочее давление до 10 МПа) 590-690 490-590

необходимость создания новых композиций химического состава сталей и технологических схем производства проката.

Наиболее перспективным на сегодняшний день направлением совершенствования технологии прокатки трубных сталей является переход к термомеханическому контролируемому процессу (ТМП) с регламентированным ускоренным охлаждением с целью получения мелкодисперсной равномерной структуры (без разнозернистости и полосчатости) с пониженным уровнем напряжений [5,6,7]. Реализацию подобной технологии невозможно осуществить без соответствующего оснащения прокатных станов и систем автоматизации процесса прокатки.

1.1.1. Основные технологии прокатки толстых листов из трубных марок стали на стане 5000

Стан 5000 был введен в эксплуатацию 30 декабря 1985 года в составе ПО «Ижорский завод» и изначально предназначался для производства проката из литых, катаных и кованых слябов и слитков массой от 5 до 60 т из углеродистых, легированных, нержавеющих, специальных сталей и сплавов.

14 марта 2000 года стан 5000 вошел в состав структурного подразделения ЛПЦ-3 ОАО «Северсталь», после чего было произведено несколько этапов его реконструкции, что позволило производить листы с более высокими механическими свойствами и увеличить производительность до 850 тыс. тонн в год. Также стан был оснащен автоматической системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) производства компании Siemens.

Сегодня большую часть марочного сортамента стана занимают низколегированные трубные стали категорий прочности К52...К60 по ТУ 14-1-1950-89 «Сталь листовая низколегированная для прямошовных газонефтепроводных труб диаметром 1020, 1220, 1420 мм» и низколегированная трубные стали марок 10Г2ФБЮ, 10Г2ФБ-У, 10Г2ФБ по ТУ 14-1-4627-97. Уже разработаны новые перспективные низколегированные марки сталей типа (05-15)Г2МФБ для труб категории прочности Х80...Х100 по стандарту США API SLU. Листовой прокат из этих марок стали ориентировочно будет иметь пределы прочности 655...862 МПа

для Х80 (предел текучести более 551 Мпа) и пределы прочности 765...931 МПа для XI00 (предел текучести более 689 Мпа).

Рассмотрим основные технологические схемы прокатки трубного листа, используемые на стане 5000.

Технологическая схема №1 (низкотемпературная контролируемая прокатка с последующим ускоренным охлаждением готового раската в УКО) включает:

• нагрев слябов до температуры 1150... 1200° С;

• гидросбив окалины;

• черновую прокатку до толщины, в 3..5 раз превышающей конечную толщину проката до температуры 980... 1000° С;

• охлаждение подкатов до температуры 750...770° С методом покачивания на рольганге;

• чистовую прокатку до конечной толщины и температуры конца прокатки 680...700° С;

• ускоренное регулируемое охлаждение готовых раскатов в УКО с температуры конца прокатки до температуры 450...550° С с среднемассовой скоростью охлаждения 10...20° С/с;

В соответствии с технологической схемой №1 производится штрипс для производства труб категорией прочности Х60 (К52), Х65 (К55), Х70 (К60) (марка стали типа 10Г2ФБЮ).

Технологическая схема №2 (низкотемпературная трехстадийная контролируемая прокатка с двумя промежуточными охлаждениями и последующим охлаждением готового раската на воздухе) включает в себя:

• нагрев слябов в печи до температуры 1150... 1200° С;

• гидросбив окалины;

• черновую прокатку до толщины, в 5...6 раз превышающей конечную толщину проката до температуры 980... 1000° С;

• первое охлаждение подкатов до температуры 850...870° С, методом покачивания на рольганге;

• вторую черновую прокатку до толщины, в 2,5...3 раза превышающей конечную толщину проката, и температуры конца прокатки 800...820° С;

• второе охлаждение подкатов до температуры 750...770° С методом покачивания на рольганге;

• чистовую прокатку до готовой толщины и температуры конца прокатки 680...700° С;

Технологическая схема №2 предназначена для прокатки штрипса для производства труб категорий прочности Х90...Х100.

С учетом большого количества технологических операций, требуемых для прокатки толстого листа, задача обеспечения оптимальной загрузки стана является весьма сложной.

1.1.2. Система автоматизации, существующая на стане 5000: достоинства и

недостатки

Для обеспечения оптимальной загрузки стана была внедрена система автоматического управления, разработанная компанией Siemens. Ее безусловному достоинству относится подсистема слежения за металлом, благодаря которой все параметры технологических операций отслеживаются и записываются в режиме реального времени. Полностью автоматизированы процессы управления клетью и главным приводом стана, работой гидросбива окалины, установки УКО, рольгангов и т.д.

В качестве математического обеспечения системы разработчиками предложена модель, аналогичная используемой в компании Voest Alpine Industrieanlagenbau (VAT). Модель изменяет режим прокатки в зависимости от результатов измерений, производимых во время каждого прохода. Таким образом, оптимальный режим работы не является точно определенным для прокатной продукции и может быть изменен во время каждого прохода (модуль VAI.plate?lus). Модуль VAI.TruShapeflus позволяет оптимизировать форму конечного продукта, чтобы увеличить выход продукции. Модуль VAI.tcw30 позволяет осуществлять трехмерный расчет в реальном времени прогиба валковой группы, тепловой вы-

пуклости и термического износа, что должно обеспечить точный расчет силы прокатки и профиля раствора валков для каждого прохода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шишов, Иван Александрович, 2013 год

Список литературы

1. Морозов Ю.Д., Эфрон Л.И., Матросов Ю.И. Состояние и перспективы развития сталей для труб большого диаметра в России // В кн.: И.П. Бардин и металлургическая наука. Сб. научн. тр. М.: Металлургиздат, 2003. С. 193-212.

2. Анучкин М.П., Горицкий В.Н., Мирошниченко Б.И. Трубы для магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1986. 231 с.

3. Матросов Ю. И., Литвиненко Д.А., Голованенко С. А. Сталь для магистральных трубопроводов. М.: Металлургия, 1989. 288 с.

4. Морозов Ю.Д., Эфрон Л.И. Стали для труб магистральных трубопроводов: состояние и тенденции развития // Металлург. 2006. № 5. С. 53-57.

5. Морозов Ю.Д., Эфрон Л.И. Современные стали для производства труб большого диаметра и направления их развития // ОАО «Черметинформация». Бюллетень «Черная металлургия». 2005. № 2. С. 57-59.

6. Д. Пател, К. Хулка. Создание сталей для магистральных трубопроводов за последние десятилетия // "Прогрессивные толстолистовые стали для газонефтепроводных труб большого диаметра и металлоконструкций ответственного назначения". Сборник докладов международной научно-технической конференции "Азовсталь - 2002". 2002. С. 34-42.

7. Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов. Технические условия:ГОСТ 20295-85.- Изд. 01.01.2003 с изм. 14.10.2010.

8. Коцарь С. Л., Белянский А. Д., Мухин Ю. А.. Технология листопрокатного производства. М.: Металлургия, 1997. 272 с.

9. Полухин П.И., Клименко В.М., Полухин В.П. и др. Прокатка толстых листов. М.: Металлургия, 1984. 288 с.

10. Чекмарев А.П., Павлов В.Л., Мелешко В.И., Токарев В.А. Теория прокатки крупных слитков. М.: Металлургия, 1968. 252 с.

11. Тарновский И.Я. и др. Деформация металла при прокатке. М.: Металлургиздат, 1952.

12. Полухин П.И. и др., "Исследование переходных стадий процесса прокатки с использованием оптического метода," Известия вузов. Черная металлургия, № 1, 1964.

13. Губкин С.И., Бойко Б.Б., Добровольский С. И. Фотопластичность. Изд-во АН БССР, 1956.

14. Коларов Д., Балтов А., Бончева Н. Механика пластических сред. М.: Наука, 1979. 302 с.

15. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. 287 с.

16. Губкин С.И.. Пластическая деформация металлов. М.: Металлургиздат, 1960.

17. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972. 408 с.

18. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 423 с.

19. Рыбин Ю.И., Рудской А.И., Золотов A.M. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением. СПб.: Наука, 2004. 644 с.

20. Бреббиа К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. М.: Мир, 1982.

21. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984.

22. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.

23. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач. М.: Высшая школа, 1974.

24. Рудской А.И., Лунев В. А. Теория и технология прокатного производства. СПб.: Наука, 2008. 527 с.

25. Колмогоров В.Л., Богатов A.A., Мигачев Б.А. Пластичность и разрушение. М.: Металлургия, 1977. 366 с.

26. Теория и технология процессов пластической деформации / Под редакцией проф. A.B. Зиновьева // Труды научно-технической конференции. М. 1997. 584 с.

27. Музалевский О.Г.. Исследование скоростей течения металла и зоне деформации при горячей прокатке алюминиевых сплавов // Труды Московского авиационного института. 1951. № 21.

28. Зарощинский М.Л. Перемещение металла в очаге деформации при прокатке // Сталь. 1950. № 8.

29. Грудев А.П. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1988. 240 с.

30. Sims R.B. Proc. Inst. Mech. Eng. v. 168. 1954. p. 191-200, 209-214.

31. Вусатовский 3. Основы прокатки: Пер. с нем. Г.Т. Германа. Под ред. М.В. Барбарича. М.: Металлургия, 1967. 582 с.

32. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургиздат, 1962. 494 с.

33. Андреюк Л.В. в кн.: Теория прокатки. Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические проблемы прокатного производства". М.: Металлургия, 1975. С. 383-385.

34. Тягунов В.А. Анализ методов расчета удельных давлений при прокатке // Тр. УПИ. 1953. No. 48.

35. Коцарь C.JL, Поляков Б.И., Макаров Ю.Д. и др. Статистический анализ и математическое моделирование блюминга. М.: Металлургия, 1974. 280 с.

36. Клименко В.М., Погоржельский В.И., Зинин В.Н. и др. В кн.: Новые технологические процессы и оборудование прокатного производства и экономии металла. Челябинское книжное изд-во, 1980. С. 47.

37. Чижиков Ю.М. Закономерности сопротивления деформации при прокатке и анализ формул для его определения. В сб.: Обработка металлов давлением. Вып.1. М.: Металлургиздат, 1952.

38. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1963.

39. Тарновский И.Я., Ляшков В.Б.. Об анализе опытных данных по прокатке. В сб.: Обработка металлов давлением, вып. 3. М.: Металлургиздат, 1954.

40. Токарев В.А., Павлов В.Л.. Анализ новых методов определения давления при прокатке на блюминге // Тр. ИЧМ УССР. 1965. Т. 21.

41. Полухин П.И., Мастеров В. А., Гун Г .Я. Влияние внешних частей на уширение и удельное давление при продольной прокатке и осадке // Изв. вузов, Черная металлургия. 1962. № 8.

42. Челышев Н. А.. Напряженное состояние в очаге деформации при прокатке. В сб.: Инженерные методы расчета технологических процессов обработки металлов давлением. Металлургиздат, 1964.

43. Крейндлин H.H. Расчет обжатий при прокатке листов и лент из цветных металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1950.

44. Целиков А.И., Смирнов В.В. Влияние внешних зон на сопротивление деформации при прокатке // Сталь. 1952. № 7.

45. Рокотян Е.С. Исследование типового блюминга «1000» конструкции ЦКБММ ЦНИИТМАШ. В сб.: Прокатные станы, кн. 73, вып. 5. М.: Машгиз, 1955.

46. Тарновский И.Я., Пальмов Е.В., Тягунов В.А. и др. Прокатка на блюминге. М.: Металлургиздат, 1963.

47. Чекмарев А.П., Клименко В.М., Мелешко В.И. Исследование блюминга «1150» // Тр. ИЧМ АН УССР. 1957. Т. 11.

48. Бровман М.Я.. Энергосиловые параметры непрерывных заготовочных станов. М.: Металлургиздат, 1960.

49. Выдрин В.Н. О параметрах, характеризующих форму очага деформации при прокатке // Изв. вузов, Черная металлургия. 1961. № 11.

50. Спиридонов Н.П. О применении графиков типа pep = f (1/hcp) при обработке

экспериментальных данных по определению среднего удельного давления при прокатке // Тр. ИЧМ АН УССР. 1961. Т. 15. № 3.

51. Смирнов B.C., Григорьев А.К., Карачунский А.Д., Мельничук О .Я. Метод подобия в теории прокатки. JL: Наука, 1971. 178 с.

52. Смирнов B.C. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1967.

53. Динник A.A.. Расчет давления металла на валки при горячей прокатке стали. В сб.: Современные достижения прокатного производства, изд. ЛПИ, 1958.

54. Пушкарев В.Ф. Определение параметра, характеризующего сопротивление деформации металла при прокатке. В сб.: Прокатные станы и технология прокатки // Тр. МВТУ. 1957. № 80.

55. Королев A.A. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов. М.: Металлургия, 1987. 480 с.

56. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

57. Ляченков Н.В., Хардин В.Б., Хардин М.В. Электрооборудование и электропривод машиностроительных цехов. Самара. 2001.

58. Колбасников Н.Г., Зотов О.Г., Мишин В.В., Немтинов A.A., Голованов A.B., Сосин C.B. Исследование возможностей повышения свойств стали 10Г2ФБ за счет реализации технологии прокатки TRIP-сталей // Черные металлы. 2009. № 7.

59. Астахов И.Г., Папченко В.Н., Трухин Н.Г. Температурное поле и сопротивление деформации при ступенчатом нагружении на пластометре: Сообщение I // Изв. вузов. Черная металлургия. 1976. № 5. С. 92-95.

60. Поздеев A.A., Тарновский В.И., Еремеев В.И. и др.. Применение теории ползучести при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1973. 192 с.

61. Шварцбарт Я.С., Никитин Г.С., Зуев И.Г. Влияние многоступенчатого режима деформирования на сопротивление нержавеющих сталей горячему формоизменению //Изв. АН СССР. Металлы. 1978. № 2. С. 155-164.

62. Соколов Л.Н., Ефимов В.Н. Исследование упрочнения - разупрочнения специальных сталей на кулачковом пластометре // Изв. вузов. Черная металлургия. 1984. № 5.

63. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1976. 488 с.

64. Зюзин В.И., Бровман М.Я., Мельников А.Ф., Садовников Б.В. Сопротивление деформации сталей при горячей прокатке. М.: Металлургия, 1964. 270 с.

65. Kang К.В., Kwon О., Lee W.B. Effect of precipitation on the recrystallization

behavior of a Nb containing steel // Acta Material. 1997. Vol. 36. No. 11. pp. 13031308.

66. Medina H.S., Quispe A. Improved model for static recrystallization kinetics of hot deformed austenite in low alloy and Nb/V micro-alloyed steels // ISIJ Int. 2001. Vol. 41. No. 7. pp. 774-781.

67. Колбасников Н.Г., Наумов A.A. Моделирование и управление структурой и свойствами материалов при термомеханической обработке. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2011,2011.

68. Rudskoy A., Vasiliev A., Sokilov S., Sokolov D. Experimental investigation and modeling of microstructure evolution processes occurring in line-pipe steels under hot rolling//RokMMXI. Mai 2011. No. 5. pp. 415-420.

69. Соколов С.Ф. Исследование и моделирование эволюции микроструктуры и сопротивления деформации сталей при горячей обработке давлением.: Дис. ... канд. техн. наук. СПб. 2013.

70. Васильев А.А., Соколов С.Ф., Колбасников Н.Г., Соколов Д.Ф.. О влиянии легирования на энергию активации само диффузии в у - железе // ФТТ. 2011. Т. 53. № 11. С. 2086-2093.

71. Medina, S.F., Hernandez С.А. Modeling Austenite Flow Stress in Low Alloy and Micro-alloyed Steels // Acta Material. 1996. Vol. 44. No. 1. pp. 155-163.

72. Medina S.F., Hernandez C.A. Modeling of the Dynamic Recrystallization of Austenite in Low Alloy and Microalloyed Steels // Acta Material. 1996. Vol. 44. No. l.pp. 164-171.

73. Шабалов И.П., Шафигин 3.K., Муратов A.H.. Ресурсосберегающие технологии производства толстолистового проката с повышенными потребительскими свойствами. Металлургиздат, 2007. 352 с.

74. Целиков А.И., Гришков А.И. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1970.

75. Плеханов Г.П., Подгайский М.С., Паршин А.А., Парамошин А.П. Влияние режимов подстуживания раската при регулируемой прокатке на свойства горячекатаных толстых листов // Производство листа. 1976. No. 4. pp. 104-110.

76. Ефимов В.А., Кузема И.Д. Форма слябинговых и крупных листовых слитков. М.: Металлургия, 1967. 168 с.

77. Жучков С.М., Кулаков JI.B., Лохматов А.П.. Управление температурным режимом непрерывной сортовой прокатки. М.: Теплотехника, 2008. 144 с.

78. Данченко В. Н., Миленин А.А., Кузьменко В.И., Гринкевич В.А.. Компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением. Численные методы. Днепропетровск: Системные технологии, 2005. 445 с.

79. Dyja H., Szota P., Mroz S. 3D FEM modelling and its experimental verification of the rolling of reinforcement rod // Journal of Materials Processing Technology. 2004. No. 153-154. pp. 115-121.

80. Мишин B.B. Разработка технологии горячей и теплой пластической деформации нанокристаллического бериллия, полученного гидридным методом.: Дис. ... канд. техн. наук. СПб.2011.

81. Huang Chang-qing, Deng Hua, Diao Jin-peng, Hu Xing-hua. Numerical Simulation of Aluminum Alloy Hot Rolling using DEFORM-3D // International Conference on Computer Science and Automation Engineering (CSAE). 2011. Vol. 3. pp. 378-381.

82. Ben Zeng, Jing Wu, Heng-hua Zhang, "Numerical simulation of multi-pass rolling force and temperature field of plate steel during hot rolling," Journal of Shanghai Jiaotong University (Science), Vol. 16, No. 2, 2011. pp. 141-144.

83. Ceretti E., Giardini C., Giorleo L., "3D simulation of a hot ring rolling industrial process," International Journal of Material Forming, No. 3, 2012.

84. Kainz A., Parteder E., Zeman K. From Slab Corner Cracks to Edge-Defects in Hot Rolled Strip - Experimental and Numerical Investigations // Steel Research International. 2008. No. 79. pp. 861-867.

85. Obereder A., Kainz A. Fast Numerical Simulation of 3D Steady-State Hot Rolling Processes by Utilizing Diffpack and Deform // Proceeding in Aplied Mathematics and Mechanics. 2004. No. 4. pp. 362-363.

86. Gheisari A., Forouzan M., Maracy A. Investigation of Process Parameters on Hot Ring Rolling by Coupled Thermo-Mechanical 3D-FEA // Majlesi Journal of Mechanical Engineering. 2011. Vol. 4. No. 4.

87. Марочник сталей и сплавов: Справочник/ Ред. В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; под общ. ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

88. Purcell, A. Mathematical modelling of temperature evolution in the hot rolling of steel. Montreal. 2000.

89. Лейкин И.М., Литвиненко Д.А., Рудченко A.B. Производство и свойства низколегированных сталей. М.: Металлургия, 1972. 256 с.

90. Коновалов В.Ю., Остапенко А.Л., Пономарев В.И. Расчет параметров листовой прокатки. М.: Металлургия, 1986. 429 с.

91. Сафьян М.М. Прокатка широкополосной стали. М.: Металлургия, 1969. 460 с.

92. Луговской В.М. Алгоритмы систем автоматизации листовых станов. М.: Металлургия:, 1974. 320 с.

93. Павельски О.. Расчет температурного режима в чистовой группе

широкополосного стана горячей прокатки // Черные металлы. 1969. № 21. С. 1317.

94. Шварцер И. Температурный режим при прокатке широкой полосы // Черные металлы. 1977. № 21. С. 3-8.

95. Иванцов Г.П. К теории теплообмена прокатных валков и раскаленного металла // ЖТФ. 1937. T. VII. № 10. С. 1114-1125.

96. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. Металлургиздат, 1950. 451 с.

97. Коновалов Ю.В., Остапенко A.JI. Температурный режим широкополосных станов горячей прокатки. М.: Металлургия, 1974. 175 с.

98. Грудев А.П. Внешнее трение при прокатке. М.: Металлургия, 1973.

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

100. Пустовойтов Д.О. Совершенствование широкополосной прокатки трубных сталей на основе моделирования поведения поверхностных трещин непрерывнолитого сляба.: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск. 2010.

101. Троицкий В.П. Исследование процесса ковки крупных слитков с предварительным подстуживанием поверхности.: Дис.. канд. техн. наук. М. 1966.

102. Ершов C.B., Степчук В.В., Воробей С.А. Влияние температурного поля на напряженно-деформированное состояние металла при сортовой и листовой прокатке // Вестник Национального технического университета Украины "Киевский Политехнический университет". Вестник Машиностроения. 2011. № 63.

103. Ершов C.B., Ключников К.Ю., Лохматов А.П. Оценка достоверности использования метода конечных элементов при анализе процесса прокатки низких и высоких полос // В кн.: Удосконалення процес1в та обладнання обробки тиском в машинобудуванш та металургн: зб. наук, праць. Краматорськ. 2008. С. 65-70.

104. Le Bon A.B., Saint-Martin L.N., "Using laboratory simulation to improve rolling schedules," Microalloying'75. New York: Union. Carbide Corp., 1975. pp. 90-99.

105. Оратовский Е.Л., Артамонова E.A. Современные толстолистовые станы 5500 в Японии. М: Черметинформация, сер. 7, вып. 2, 1978. 30 с.

106. Архангельский В.И., Твардовский В.П., Ивлев Н.Г.. Автоматизированные системы управления технологическими процессами в прокатном производстве. Киев: КИА, 1978.

107. Архангельский В.И. Автоматизация станов горячей прокатки. Киев: КИА, 1980.

108. Восканьянц А.А. Автоматизированное управление процессами прокатки. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010. 85 с.

109. Казаков А.А. , Киселев Д.В., Казакова Е.И. и др. Влияние структурной анизотропии в ферритно-бейнитных сталях после термомеханической обработки на уровень их механических свойств // Черные металлы. 2010. № 6. С. 7-14.

110. Колбасников Н.Г., Зотов О. Г., Шамшурин А. И., Лукьянов А. А. Исследование бейнита реечной морфологии в высокопрочной трубной стали // Металловедение и Термическая Обработка Металлов. 2013. № 6.

111. Medina S.F., Hernandez С. A. General expression of the Zener-Hollomon parameter as a function of the chemical composition of low alloy and microalloyed steels // Acta Material. 1996. Vol. 44. No. 1. pp. 137-148.