Разработка теории формирования витков катанки и создание высокоскоростного виткообразователя для проволочных прокатных станов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Некипелов, Владимир Станиславович

• Некипелов, Владимир Станиславович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Некипелов, Владимир Станиславович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МАШИН ДЛЯ НАМОТКИ КАТАНКИ

И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ

ВИТКООБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. Конструктивные и технологические характеристики машин для намотки и виткообразования

1.2. Основные типы виткообразователей

1.2.1.Технологические особенности намотки катанки

1.2.2. Конструктивные особенности виткообразователей

1.3. Существующие теоретические разработки процесса виткообразования

1.4. Выводы и постановка задач исследований

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВИТКООБРАЗОВАНИЯ

2.1. Анализ воздействия силовых факторов на процесс виткообразования

2.2. Математическая модель процесса виткообразования

2.3. Технологический критерий процесса виткообразования

2.4. Исследование процесса формирования витков с помощью математической модели

2.5. Энергетический баланс процесса виткообразования

2.6. Границы применения процесса виткообразования действием динамических сил

2.7. Выводы

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Моделирование процесса виткообразования

3.1.1. Критерий подобия процесса виткообразования

3.1.2. Экспериментальное моделирование

3.2. Промышленные испытания процесса

3.3. Выводы

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ВИТКООБРАЗОВАТЕЛЯ, ФОРМИРУЮЩЕГО

ВИТКИ ДЕЙСТВИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ

4.1. Обеспечение требований к качеству формы концевых витков раската

4.2. Расчет профиля тарели

4.3. Расчет мощности, необходимой для виткообразования

4.4. Обеспечение требований к качеству и надежности процесса

4.5. Изготовление перспективного виткообразователя и стендовые испытания

4.6. Конструкция ДДС виткообразователя

4.7. Технико-экономическая эффективность применения виткообразователя новой конструкции

4.8. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка теории формирования витков катанки и создание высокоскоростного виткообразователя для проволочных прокатных станов»

Актуальность темы.

В настоящее время годовой объем производства круглого проката в мире превышает 120 млн. тонн [93], около 50 млн. тонн составляет катанка в бунтах, т.е. более 10% от общего производства проката. Рентабельность ее производства превышает рентабельность производства любого другого вида продукции по металлургической отрасли [4] и доходит до 60%. Масса получаемых бунтов сегодня на большинстве станов составляет 1,4.2,0 т и тенденция к повышению массы бунтов устойчива [18-19, 21-23, 29, 62]. Применение проката в бунтах повышает коэффициент использования металла у потребителя за счет сокращения немерной обрези и некондиционных концов при волочении. При этом, чем выше масса бунта, тем ниже потери как при производстве, так и у потребителя [1,4].

Возросшие за последние годы скорости прокатки катанки (декларируемые рекордные скорости - до 140 м/с) и массы заготовок диктуют необходимость снижения потерь, связанных как с аварийными, так и с профилактическими простоями [8,34,35], требуют высокой надежности всего оборудования прокатного стана. Поскольку бунты формируют непосредственно в линии прокатного стана, надежность работы оборудования участка виткообразования во многом определяет надежность работы прокатного стана в целом. Однако существующее оборудование для формирования витков катанки обладает рядом технологических и конструктивных недостатков, снижающих надежность работы прокатного стана, сдерживающих дальнейшее возможное повышение скоростей прокатки, а также расширение сортамента в части производства термоупрочненного проката классов 400, 500 и выше, по причине высокого сопротивления движению проката в виткообразующей проводке [8].

Отсутствие надежного высокоскоростного виткообразователя, в основном, объясняется недостаточным развитием теории расчета процесса формирования витка.

В связи с этим, проблема разработки теории формирования витков катанки и создание на ее основе высокоскоростного виткообразователя для проволочных прокатных станов является актуальной.

Цель работы.

Целью настоящей работы является разработка теории формирования витков катанки и создание высокоскоростного виткообразователя для проволочных прокатных станов, создание научно обоснованных методов проектирования высокоскоростных виткообразователей, направленных на повышение производительности проволочных прокатных станов за счет повышения скорости виткообразования с учетом технологических возможностей основного оборудования и повышение качества катанки.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработка и исследование математической модели движения катанки как неидеальной нити, т.е. нити, имеющей упруго-пластические свойства;

- разработка методики расчета формирования витков из переднего и заднего концов раската;

- разработка методики масштабного моделирования процессов виткообразования;

- разработка методики расчета энергетического баланса процесса виткообразования;

- на основе анализа математической модели движения катанки в процессе формирования витка, разработка рекомендаций по конструктивному решению виткообразователя;

- экспериментальная проверка конструктивных решений виткообразователя,

- разработка проекта высокоскоростного виткообразователя.

Научная новизна.

1. Разработана теория процесса виткообразования на устройствах с осевой подачей проката, математическая модель и методики расчета и выбора конструктивных параметров виткообразователя. Математическая модель представлена в виде уравнений движения неидеальной нити.

2. Предложена критериальная оценка процесса виткообразования для принятия основных конструктивных решений и критерий подобия для экспериментального масштабного моделирования процесса виткообразования, представленные в виде отношения кинетической энергии катанки к энергии ее пластического деформирования.

3. Разработаны новый процесс формирования витков действием динамических сил, обладающий повышенной надежностью и расширенными технологическими возможностями и новая конструкция высокоскоростного виткообразователя.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Разработан новый процесс формирования витков, обладающий высокой надежностью и расширенными технологическими возможностями, позволяющими формировать витки как постоянного, так и переменного диаметра при скоростях до 300 м/с, что позволит существенно расширить сортамент и повысить производительность проволочных станов.

2. Разработана новая конструкция высокоскоростного виткообразователя с максимальной скоростью до 170 м/с. Разработана методика и схема модернизации действующих виткообразователей проволочных станов.

3. Проведенные на стане 150 ОАО «Северсталь» промышленные испытания подтвердили высокую надежность и безопасность нового процесса, возможность формирования витков переменного диаметра, возможность формирования витков из термоупрочненных сталей при температуре ниже 600°С с пределом текучести свыше 500МПа.

4. Внедрение результатов работы может происходить как путем установки нового виткообразователя, так и путем замены существующей виткообразующей головки на новую конструкцию.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель процесса формирования витков.

2. Методика расчета основных параметров процесса виткообразования.

3. Новый процесс виткообразования повышенной надежности.

4. Новая конструкция высокоскоростного виткообразователя.

Достоверность.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации подтверждена результатами экспериментального масштабного моделирования, а также промышленных испытаний в линии проволочного стана 150 ОАО «Северсталь».

Апробация.

Результаты работы докладывались автором на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И.Целикова, проходившей 14-15 апреля 2004г. в МГТУ им. Н.Э.Баумана, и на заседании НТС ЭЗТМ в г.Электросталь в июле 2009г., а также экспонировались на V салоне интеллектуальной собственности «Архимед» 2002 г. (диплом выставки), Российской торгово-промышленной выставке в Риме (Италия) 2005г., промышленной выставке в Лиме (Перу) 2006г.

Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в 5 статьях, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России для опубликования результатов диссертационных работ, в 7 патентах, 1 авторском свидетельстве и 1 заявке на изобретение.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и общих выводов. Диссертация содержит 105 страниц, включая 42 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 94 наименований и приложение.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Некипелов, Владимир Станиславович

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате анализа существующих методик расчета процесса виткообразования и современных конструкций виткообразователей установлено, что отсутствуют методики, позволяющие производить расчет как самого процесса, т.е. силовых и кинематических параметров, так и производить выбор оптимальных конструктивных характеристик машин для формирования витков. Развитие современного производства катанки требует повышения надежности и расширения технологических возможностей виткообразователей.

2. Разработана новая, удобная в использовании, методика расчета силовых и кинематических параметров процесса виткообразования, а также конструктивных элементов виткообразующих машин. Основой методики является новая математическая модель формирования витков, рассматривающая прокат как неидеальную материальную нить.

3. Разработан обобщенный критерий оценки процесса виткообразования, методика расчета поведения переднего и заднего концов раската, методика экспериментального физического моделирования, методика расчета энергетического баланса.

4. На основе анализа основных параметров и энергетических характеристик, предложен принципиально новый процесс формирования витков -действием динамических сил (ДДС процесс); показана возможность его реализации, определены его технологические границы.

5. Проведено экспериментальное исследование ДДС процесса: физическое моделирование в лабораторных условиях и опытно-промышленные испытания, показавшие высокое соответствие теоретическим выводам. Доказана работоспособность процесса в промышленных условиях, возможность формирования витков из сталей с различными механическими характеристиками, получения качественных концевых витков, высокая безопасность, а также возможность формирования витков переменного диаметра с целью получения компактного бунта.

6. На основе разработанной методики расчета процесса формирования витка, создана новая конструкция виткообразователя, исследованная при стендовых испытаниях, рабочие элементы опробованы в промышленных условиях, предложена конструкция виткообразующей головки для модернизации существующего оборудования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Некипелов, Владимир Станиславович, 2009 год

1. Кугушин A.A., Попов Ю.А. Высокоскоростная прокатка катанки, М., Металлургия, 1982, 144с.

2. Акатов А.И. и др. Новые проволочные и сортовые моталки современных станов и установок непрерывного литья и прокатки металлов// Труды института. ВНИИМЕТМАШ. №60, 1979.С.107-115.

3. Разработка основных конструктивных решений моталок для высокоскоростных ЛПА цветных металлов: отчет о НИР (заключительный) /ВНИИМЕТМАШ; руководитель А.И.Акатов №01860009688, инв.№НР-6741.-М., 1987.141с.:ил.

4. Тищенко В.А. Современное состояние и тенденции развития производства катанки// Сталь. 2002. №10, С.46-51.

5. Бондаренко А.Н., Щербаков В.И., Курбатов Г.А. Опробование производства арматурной стали класса 500 в бунтах// Сталь. 2002. №10, С.60-61.

6. Акатов А.И., Тепляков Б.В., Ротов И.С. Исследование процесса смотки горячих труб в бунты. В сб. Создание и исследование машин и агрегатов для производства труб.//Труды института. ВНИИМЕТМАШ. 1981.С.76-82.

7. Стычинский В.В., Бешелев С.Д. Предупреждение образования окалины и методы очистки деталей. М., Машиностроение, 1964.

8. Новое оборудование для намотки катанки// Металлург. 2002. №9, С.36-37.

9. Черметинформация. Вестник деловой и коммерческой информации. №11 (289), 2005. с.9.

10. Черметинформация. Вестник деловой и коммерческой информации. №31 (309), 2005. с.11.

11. Черметинформация. Вестник деловой и коммерческой информации. №44 (322), 2005. с.8.

12. Черметинформация. Информация руководителю. №14, 2005. с.11.

13. Черметинформация. Вестник деловой и коммерческой информации. №39 (317), 2005. с. 14.

14. Пат.№ В-Ми/0643 (Индия), В21С 47/02, от 17.01.2001. Способ формирования бунта катанки и устройство для его осуществления/ В.С.Некипелов.

15. Пат. №01810028.7 (Китай), В21С 47/02,Способ формирования бунта катанки и устройство для его осуществления/В.С.Некипелов//.

16. Заявка на изобретение №01901614.6 (ЕП), В21С 47/02 от 17.01.2001. Способ формирования бунта катанки и устройство для его осуществления// В.С.Некипелов.

17. Совершенствование технологического процесса смотки катанки на роторных моталках стана 250 Енакиевского металлургического завода: отчет о НИР (заключительный)/ВНИИМЕТМАШ; руководитель Б.В.Тепляков- №01840074831, инв.№НР-6164.-М., 1985. 64с.:ил.

18. Разработка процессов обработки и сварки проката для проволочного стана со скоростью прокатки свыше 100 м/с: отчет о НИР (заключительный)/ ВНИИМЕТМАШ; руководитель И.С.Ротов №01822013703, инв.№НР-5978.-М.,4.3. -168-212с.:ил.

19. Совершенствование моталок круглого проката с целью повышения скорости смотки и массы бунтов: отчет о НИР (заключительный)/ВНИИМЕТМАШ; руководитель И.С.Ротов -№8002986, ив.№НР-5064. -М.,1980. 112 с.:ил.

20. Разработка процессов обработки и сварки проката для проволочного стана со скоростью прокатки свыше 100 м/с: отчет о НИР (заключительный)

21. ВНИИМЕТМАШ; руководитель И.С.Ротов №01822013703, инв.№НР-5978.-М.,ч.З. 1983.-168-212с. :ил.

22. Совершенствование технологического процесса смотки катанки на виткообразователях стана 150: отчет о НИР (заключительный) /ВНИИМЕТМАШ; руководитель В.С.Некипелов №01870064309, инв.№НР-7175.-М., 1988.29с.:ил.

23. Совершенствование моталок круглого проката с целью повышения скорости смотки и массы бунтов: отчет о НИР (заключительный)/ВНИИМЕТМАШ; руководитель И.С.Ротов -№8002986, ив.№НР-5064. -М .,1980. 112 с.:ил.

24. Пат.США №38443072, В21С 47/00 The method of calculating of wire rod laying tube and guide/W.P.Rayfield //1974. НКИ 242-82.

25. Ротов И.С., Некипелов B.C. и др. Совершенствование моталок для катанки. В сб. Совершенствование процессов и машин для обработки проката. Труды института. ВНИИМЕТМАШ.,М.,1988 27-ЗЗс.:ил.

26. Некипелов B.C., Ротов И.С. и др. Моделирование процесса смотки катанки. В сб. Совершенствование металлургических машин. Труды института. ВНИИМЕТМАШ, М„ 1989 105-108с.:ил.

27. Алимов С.И. Математическая модель процесса формирования бунта в моталках проволочных станов//Труды ВНИКИ Цветметавтоматика.№3, 1973.

28. Алимов С.И. Система автоматического управления механизмом укладки моталки проволочного стана. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: защищена 29.03.72; утверждена 18.11.72 -М., 1972.

29. Королев A.A. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов: Учебник для вузов. -4-е изд., -М.: Металлургия. 1987.С.480.

30. Некипелов B.C., Лукьянов A.B., Карпухин И.И. и др. Промышленные испытания процесса намотки катанки действием динамических сил// Сталь. 2004. №7. С41-44.

31. Некипелов B.C., Лукьянов A.B., Карпухин И.И. и др. Процесс и устройства для стабильного виткообразования катанки различного сортамента// Металлург.2004. №9. С63-64.

32. A.c. 1505619 (СССР) МКИ В21С 47/00 Способ намотки катанки и устройство для его осуществления/ В.С.Некипелов, И.С.Ротов, А.И.Акатов//Б.И. 1989. № 33.

33. Пат. №2192323 (РФ) В21В 47/02 Способ формирования бунта катанки и устройство для его осуществления/ В.С.Некипелов//Б.И.2002. №31.

34. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов, М., Наука, 1970. С.544.

35. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М., Наука, 1977,С.56-57.

36. Стасенко А.Л. Форма гибкой нити в поле центробежных сил. Известия АН СССР, Механика, Машиностроение, 1962, №6.

37. Старжинский В.М. Теоретическая механика. М., Наука, 1980. С.464.

38. Целиков А.И., Томленов А.Д., Зюзин В.И., Третьяков A.B., Никитин Г.С. Теория прокатки. Справочник. М. Металлургия. 1982. С.335.

39. Совершенствование технологического процесса смотки катанки на роторных моталках стана 250 Енакиевского металлургического завода: отчет о НИР (заключительный)/ВНИИМЕТМАШ; руководитель Б.В.Тепляков №01840074831, инв.№НР-6164.-М., 1985. 64с.:ил.

40. Изыскание конструкции высокоскоростных моталок и виткообразователей с приводом переменного тока для проволочных станов: отчет о НИР (заключительный)/ВНИИМЕТМАШ; руководитель Акатов А.И.-№Б-611097,инв.№НР-4353.-М.,1977.75с.:ил.

41. Пат. №2224609 (РФ)В21С 47/02 Способ формирования бунта высокопрочной катанки и устройство для его осуществления/ В.С.Некипелов, А.В.Лукьянов//Б.И. 2004. №6.

42. Пат. №66956 (Украина) В21С 47/02 Способ формирования бунта катанки и устройство для его осуществления/ В.С.Некипелов// Б.И.2004. №6.

43. Пат.№6 915 978 В2 (США), В21С 47/02, Method of rod coil forming and set of equipment for its realization/ V.S.Nekipelov//

44. Пат. №2270730 (РФ), B21C 47/02 Способ формирования бунта катанки и устройство для его осуществления/ В.С.Некипелов, А.В.Лукьянов //Б.И.2006.№6

45. Пат.3469798 (США), В21С 47/18 The method and equipment of wire rod laying/ E.Schroeder// 1969. НКИ 242-83

46. Пат.38443072 (США), B21C 47/00 The method of calculating of wire rod laying tube and guide/W.P.Rayfield //1974. НКИ 242-82.

47. Draht 11 (1968) №8, c.422-424.

48. Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник. М., Машиностроение, 1983. с.543.

49. Назаров Г.И., Сушкин В.В. Теплостойкие пластмассы. Справочник. М., Машиностроение, 1980. с.208.

50. Виноградов И.В., Горяинов Ф.А., Сергеев П.С. Проектирование электрических машин. П., Госэнергоиздат, 1950, С.591.

51. Минаков А.П. Основы механики нити. Труды МТИ, том IX, выпуск 1, 1941.

52. Рымаренко J1.И., Шиманский В.П., Кононок Ю.Л. Расчет и применение гидродинамического привода разделенного типа// Труды ВНИИМЕТМАШ. 1980.С.89-99.

53. Чижиков Ю.М. Теория подобия и моделирование процессов обработки металлов давлением. М., Металлургия, 1970, 296с.

54. Щедров B.C. Основы механики гибкой нити. М., Машгиз, 1961.

55. Second Spooler line in operation at Nervacero, Spain.// Danieli News n.147 New Edition September 2006, Danieli Group, p.44

56. Top wire rod mill performances at MMK, Russia.// Danieli News n.147 New Edition September 2006, Danieli Group, p.46

57. Vibration-free wire rod coiling at speeds above 100 mps.// Danieli News n.147 New Edition September 2006, Danieli Group, p.42

58. Борисов В. Дрейфующая металлургия// Металлоснабжение и сбыт. 2006, №11, с.60-65.

59. Кельзон А.С., Журавлев Ю.Н., Январев Н.В. Расчет и конструирования роторных машин, Л., Машиностроение, 1977. 288с.

60. Шевченко К.Н. Основы математических методов и теории обработки давлением, М., Высшая школа, 1980. 350с.

61. Демченко А.Т., Даценко П.Ф. Ремонт механического оборудования мелкосортных и проволочных станов. М., Металлургия, 1978. 216с.

62. Целиков А.И., Полухин П.И., Королев А.А. и др. Машины и агрегаты металлургических заводов. Т.З. Машины и агрегаты для производства и отделки проката. М., Металлургия, 1981. 576с.

63. DSC Plus controlled cooling technology for optimized product quality planning // Danieli News n.144 December 2005, Danieli Group, p.32-33.

64. Order for six Spooler unit awarded by Celsa Group// Danieli News n.144 December 2005, Danieli Group, p.34.

65. Spooler line started up at Corrugados Azpeitia, Spain// Danieli News n.144 December 2005, Danieli Group, p.35.

66. Danieli to supply Spooler technology to Alphasteel, UK// Danieli News n.144 December 2005, Danieli Group, p.35.

67. New high-speed wire rod line for Diler Demip Celjk, Turkey// Danieli News n.144 December 2005, Danieli Group, p.37.

68. Saarstahl (Germany) chooses Danieli to improve product quality in the Burbach wire rod mill// Danieli News n.144 December 2005, Danieli Group, p.38.

69. New high speed wire rod line at TSW-Trierer Stahlwerk, Germany// Danieli News n.145 March 2006, Danieli Group, p.31.74.110-mps wire rod line at Ori Martin, Italy// Danieli News n.145 March 2006, Danieli Group, p.32.

70. Шубов И.Г.Шум и вибрации электрических машин. Л., Энергия, 1973.200с.

71. Яблонский А.А., Норейко С.С. Курс теории колебаний. Изд. 3-е. М., Высшая школа, 1975. 248с.

72. Справочник машиностроителя. Под ред. С.В.Серенсена. Том 3. М., Машгиз, 1962. 651с.

73. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич Л.М. Теория подобия и размерностей. Моделирование. М., Высшая школа, 1968.206с.

74. Точность производства в машиностроении и приборостроении. Под ред. А.Н.Гаврилова. М., Машиностроение,1973. 567с.

75. Нет трубы в своем отечестве// Металлоснабжение и сбыт. 2006, №11, с.82-84.

76. Недорезов И.В. Моделирование процессов правки проката на роликовых машинах. Екатеринбург, Аква-пресс, 2003. 256с.

77. Грудев А.П., Машкин Л.Ф., Ханин М.И. Технология прокатного производства. Учебник для вузов. М., Металлургия, 1994. 656с.

78. Королев А.А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. М., Металлургия, 1985. 376с.

79. Полухин П.И., Гунн Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации сталей и сплавов. М., Металлургия, 1976. 210с.

80. Целиков А.И. и др. Машины и агрегаты для производства и отделки проката. Том 3. Машины и агрегаты металлургических заводов. М., Металлургия, 1981. 576с.

81. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М, Металлургия, 1973. 240с.

82. Целиков А.И., Смирнов В.В. Прокатные станы. М., Металлургия, 1958. 432с.

83. Стали и сплавы. Марочник (справочник). Под ред.Сорокина В.Г., Герасьева М.А., М., Интермет Инжиниринг, 2001. 608с.

84. Бровман М.Я. Об упруго-пластическом изгибе балок в процессе движения //Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1982, №3. С.155-160.

85. Latest advanced technologies for high-speed wire rod production at SN Longos? Portugal// Danieli News n.147 New Edition September 2006, Danieli Group, p.42

86. First China Spooler line successfully started up at Tianjin (Tiangang)// Danieli News n.147 New Edition September 2006, Danieli Group, p.43

87. Дмитрий Ляховский, Александр Яковчик. Самурайская сталь// Металлоснабжение и сбыт. 2006, №11, с. 134-136.

88. Состояние рынков стальной заготовки и сортового проката стран Восточной и Юго-Восточной Азии// Металлургический бюллетень, 06 мая 2009г.

89. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. Изд. 2-е. М., Машиностроение, 1975. 400с.