Развитие методологии проектирования технологий листопрокатного производства: теория и практика тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат наук Румянцев, Михаил Игоревич

• Румянцев, Михаил Игоревич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Румянцев, Михаил Игоревич

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................8

1. ЗАДАЧИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЛИСТОПРОКАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.........................................................................................................................18

1.1. Тенденции и задачи развития производства листового проката...................18

1.2. Листопрокатная технологическая система и задача ее совершенствования25

1.3. Технологии производства листового проката и задачи развития методологии их проектирования..............................................................................33

1.4. Задача и особенности автоматизированного проектирования режима прокатки......................................................................................................................44

1.5. Некоторые вопросы моделирования технологий производства проката и оценивания их результативности.............................................................................58

1.6. Выводы, цели и задачи исследования..............................................................67

2. РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ, ПРАКТИКИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТА......................................................................................71

2.1. Обобщенный алгоритм разработки режимов прокати....................................71

2.2. Развитие практики математического моделирования процессов листопрокатного производства................................................................................81

2.3. Анализ и повышение действенности инструментов статистического прогнозирования........................................................................................................92

2.4. Повышение достоверности и объективности оценивания результативности технологических операций и процессов .................................................................96

2.5. Развитие модели прогнозирования сопротивления при горячей пластической деформации стали с произвольной химической композицией ...100

2.6. Построение модели расчета напряжения текучести при холодной прокатке стали с произвольной химической композицией.................................................114

2.7. Выводы по главе 2............................................................................................124

3. РАЗВИТИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЛИСТОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА....................................................................................................................128

3.1. Разработка моделей и алгоритмов для предварительного выбора режима обжатий на толстолистовых станах.......................................................................128

3.1.1. Закономерности распределения обжатий на ТЛС..................................128

3.1.2. Метод синтеза первого приближения распределения частных обжатий при прокатке на толстолистовом стане.............................................................132

3.1.3. Синтез скоростного режима и прогноз машинного времени прокатки за проход...................................................................................................................136

3.1.4. Модели прогноз энергосиловых параметров прокатки на ТЛС...........143

3.2. Методика оценки проектов технологических систем производства крупногабаритных листов......................................................................................149

3.2.1. Особенности расчета ритма прокатки на ТЛС.......................................150

3.2.2. Прогнозирование расходного коэффициента металла для выбора схемы прокатки...............................................................................................................153

3.3. Определение основных технических параметров и технологических решений применительно к двухклетевому толстолистовому стану 4100..........157

3.3.1. Постановка задачи исследования проектных решений для ТЛС 4100 157

3.3.2. Выбор размеров валков и уточнение предельных значений параметров

рабочих клетей.....................................................................................................162

3.3.4. Синтез и анализ режимов различных вариантов процесса в условиях ТЛС 4100..............................................................................................................167

3.3.5. Анализ производительности ТЛС 4100

176

3.4. Определение основных технических параметров и технологических решений применительно к одноклетевому толстолистовому стану 5000 .........180

3.4.1. Постановка задачи, выбор расчетных профилей и основных параметров оборудования.......................................................................................................180

3.4.2. Выбор схем прокатки и размеров слябов................................................181

3.4.3. Анализ режимов и энергосиловых параметров прокатки.....................184

3.5. Решения по увеличению объема производства годной продукции при производстве листов для сварных труб на ТЛС 2800 ОАО «Уральская Сталь» 190

3.5.1. Статистическое исследование результативности технологии на толстолистовом стане 2800.................................................................................190

3.5.2. Синтез технологии с целью стабилизации механических свойств трубного проката в условиях ТЛС 2800............................................................193

3.5.3. Синтез технологии для снижения в условиях ТЛС 2800 отсортировки по дефекту «сетчатая трещина».........................................................................197

3.6 Выводы по главе 3.............................................................................................200

4. РАЗВИТИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВА ШИРОКОПОЛОСНОЙ

ГОРЯЧЕКАТАНОЙ СТАЛИ......................................................................................204

4.1. Разработка моделей для синтеза первого приближения режимов и прогноза параметров прокатки широкополосной горячекатаной стали разнообразного назначения на станах различных типов ................................................................204

4.1.1. Первое приближение размеров промежуточного раската.....................204

4.1.2. Модель выбора размеров сляба................................................................211

4.1.3. Закономерности режима обжатий горизонтальными валками в черновой группе..................................................................................................215

4.1.4. Метод определения величины обжатий раската в горизонтальных валках черновой группы ШСГП ........................................................................223

4.1.5. Закономерности и разработка частных обжатий в чистовой группе .230

4.1.6. Разработка модели усилия горячей прокатки широкополосной стали 234

4.1.7. Разаработка модели крутящего момента при горячей прокатке широкополосной стали .......................................................................................236

4.1.8. Разработка модели охлаждения полосы перед смоткой........................238

4.2. Комплексная модель и компьютерная программа автоматизированного проектирования широкополосной горячей прокатки..........................................242

4.2.1. Алгоритм комплексной модели широкополосной горячей прокатки ..242

4.2.2. Элементы комплексной модели широкополосной горячей прокатки на

станах различных типов ......................................................................................244

4.2.2. Структура и процедуры компьютерной программы автоматизированного проектирования горячей широкополосной прокатки на станах различных типов ......................................................................................248

4.3. Разработка технологии производства тонких горячекатаных полос для замещения холоднакатаной листовой стали общего назначения с применением ШСГП .......................................................................................................................254

4.3.1. Оценивание степени соответствия свойств горячекатаного проката требованиям к качеству холоднокатаной листовой стали...............................254

4.3.2. Разработка технологии получения горячекатаного проката для замещения холоднокатаной листовой стали общего назначения ...................264

4.3.3. Проектирование технологии для производства горячекатаных полос с цинковым покрытием ..........................................................................................269

4.4. Разработка режимов горячей прокатки высокопрочных сталей на широкополосных станах .........................................................................................279

4.4.1. Постановка задачи разработки режимов горячей прокатки полос из высокопрочных марок стали для холодного деформирования.......................279

4.4.2. Разработка технологии и режимов прокатки горячекатаного проката из двухфазной стали.................................................................................................283

4.4.3. Разработка технологии и режимов прокатки горячекатаного проката из стали ШЬА..........................................................................................................292

4.4.3.1. Особенности химических композиций проката из стали HSLA........292

4.4.3.2. Разработка технологии производства широкополосной горячекатаной стали HSLA..........................................................................................................295

4.4 Выводы по разделу 4.........................................................................................300

5. РАЗВИТИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОЙ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ...................................................................................................304

5.1. Разработка моделей для выбора первого приближения режима холодной прокатки на станах различных типов....................................................................304

5.1.1. Модель выбора размеров исходной заготовки для холодной прокатки304

5.1.2. Модель первого приближения частных обжатий...................................309

5.1.3. Модель выбора режима натяжений.........................................................315

5.1.4. Первое приближение скоростного режима и ритма холодной прокатки на станах различных типов.................................................................................325

5.2. Разработка моделей для прогноза параметров взаимодействия валков с полосой.....................................................................................................................335

5.2.1. Разработка модели для прогноза усилия прокатки................................335

5.2.2. Уточнение методики расчета коэффициента контактного трения.......340

5.2.3. Модель момента холодной листовой прокатки......................................346

5.2.4. Модель шероховатообразования полосы в очаге деформации.............353

5.3. Алгоритм комплексной модели процесса холодной прокатки, структура и процедуры компьютерной программы..................................................................360

5.4. Разработка технологии получения высококачественного холоднокатаного листового проката классов качества CQ, DQ и DDQ из стали с пониженным содержанием углерода............................................................................................367

5.5. Разработка технологии и режимов холодной прокатки высокопрочных сталей для автомобилестроения .............................................................................373

5.5.1. Разработка режимов холодной прокатки высокопрочной ГР-стали.....373

5.5.2. Разработка режимов холодной прокатки высокопрочной И8ЬА-стали382 5.6. Разработка режимов работы совмещенных НТА и стана 2000 с учетом марочного и размерного сортамента и технологических особенностей травления и холодной прокатки.............................................................................390

5.6.1. Особенности технологической системы НАТХП 2000.........................390

5.6.2. Разработка рекомендаций по выбору скорости прокатки полос из марок стали различных групп прочности в прокатном модуле НАТП 2000.393

5.6.3. Оценка причин и разработка мероприятий для преодоления неустойчивости холодной прокатки на совмещенном травильно-прокатном

агрегате.................................................................................................................401

5.7. Выводы по разделу 5........................................................................................411

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................417

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................423

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методологии проектирования технологий листопрокатного производства: теория и практика»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Министерством промышленности и торговли Российской Федерации в качестве стратегических задач развития отечественной черной металлургии Российской Федерации в 2014-2030 г.г. указываются: расширение сортамента выпускаемой продукции, обеспечение постоянно растущих требований к ее качеству, обеспечение конкурентоспособности на внешних и внутренних рынках страны, расширение импортозамещения, увеличение объёма выпуска продукции с высокой добавочной стоимостью. При этом доля листового проката к 2030 г. должна возрасти до 46,9-53,4%. Чтобы решить указанные задачи необходимо развивать (совершенствовать) действующие и, возможно, создавать новые технологических системы (ТС), множество которых во взаимодействии между собой и образует металлургический комплекс страны.

Технология производства листового проката (ТПЛП) является составной частью листопрокатной технологической системы (ЛПТС) и именно результативность ТПЛП в значительной мере определяет эффективность функционирования ЛПТС. Следовательно, создание (разработка) технологий, обеспечивающих высокую ресурсоэффективность производства, расширение сортамента и высокие качественные показатели как новых, так и уже выпускаемых видов листового проката, является одним из направлений совершенствования (улучшения, прогрессивного развития) ЛПТС.

Разработка технологии - прикладная задача, которая решается рассмотрением множества допустимых вариантов и выбором из них такого, который в наибольшей степени соответствует заранее заданному критерию. Из сказанного следует, что процесс поиска решения по созданию технологии подобен процессу проектирования, где, не зависимо от уровня декомпозиции рассматриваемого объекта, действия выполняются по одному и тому же алгоритму, который включает в себя процедуры анализа и синтеза. Текущие условия диктуют необходимость сокращения сроков поиска и внедрения в практику новых эффективных

разработок. В таком контексте актуальны исследования, направленные на выбор известных и разработку новых методов для анализа и синтеза способов, процессов, технологий листопрокатного производства, которые сократят время поиска рациональных решений, обеспечив при этом удовлетворительно высокий уровень их достоверности и обоснованности.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель диссертационной работы состоит в повышении уровня эффективности технологических систем листовой прокатки путем расширения сортамента, повышения качественных показателей продукции, расширения ресурсо- и энергосбережения на основе подхода к созданию способов, процессов и технологий производства листового проката с позиций методологии проектирования.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методику оперативного синтеза и достоверного анализа условий листовой прокатки с целью для расширения сортамента, повышения качественных показателей продукции, ресурсо- и энергосбережения.

2. Изучить и уточнить особенности влияния параметров горячей и холодной прокатки на сопротивление деформации стали различных химических композиций и свойства листового проката с целью прогнозирования напряжения текучести при прокатке и свойств проката из стали произвольной химической композиции.

3. Разработать комплексы моделей процессов толстолистовой, горячей широкополосной и холодной прокатки, применение которых обеспечит разработку и совершенствование способов, процессов и технологий производства листового проката разнообразного назначения с требуемым уровнем качества из стали с произвольной химической композицией.

Апробировать и адаптировать разработанную методику для решения прикладных задач по созданию способов и технологий, обеспечивающих повышение эффективности листопрокатных технологических систем.

Методология и методы исследования. При выполнении работы использовались теория систем и ее приложения, математическое и компьютерное моделирование; статистические методы анализа и интерпретации эмпирических данных, статистические методы контроля и управления качеством продукции; анализ и систематизация литературных данных, наблюдения за объектами листопрокатного производства с целью изучение и обобщение опыта их функционирования; производство экспериментальных партий проката.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методы моделирования, синтеза и оценивания результативности способов, процессов и технологий производства листового проката разнообразного назначения.

2. Обобщенный алгоритм и структура программы автоматизированного проектирования режимов прокатки профилей разнообразного назначения на станах различных типов.

3. Модели синтеза первых приближений режимов листовой прокатки на станах различных типов, способствующие оперативному созданию технологий, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов, улучшение качества и расширение сортамента продукции.

4. Результаты исследований, выполненных с применением разработанных методов моделирования, синтеза и оценивания результативности способов, процессов и технологий производства листового проката разнообразного назначения.

Научная новизна работы.

- Разработаны представления о прокатке как переходе, технологической операции и технологическом процессе, отличающиеся тем, что цель прокатки рассматривается как необходимость получения проката заданного качества в требуемом количестве при ограниченном расходе ресурсов.

- Разработана концепция режима прокатки, отличающаяся тем, что режим прокатки рассматривается как совокупность конкретных значений тех параметров системы, ее реализующей, регламентация которых обеспечивает достижение цели

прокатки - при заданном расходе ресурсов получить прокат заданного качества в заданном количестве. Такая концепция отображает возможность влиять на достижение цели прокатки не только деформационными, скоростными, температурными параметрами и натяжением, но также исходным состоянием полосы и некоторыми параметрами обрабатывающей подсистемы.

- Разработана концепция алгоритмизации задачи проектирования режима прокатки, отличающаяся тем, что указанная задача рассматривается как обобщенная по отношению к виду прокатываемого профиля. Особенности, присущие прокатке профилей конкретного вида, отображаются, прежде всего, в математических моделях и в комплексе ограничений, используемых в том или ином случае.

- Метод математического моделирования, на этапе оценки качества модели, дополнен характеристиками «степень соответствия» и «действенность», которые в сочетании с традиционными показателями погрешности повышают обоснованность выводов об адекватности математических моделей. Для повышения степени соответствия и действенности предложена концепция и применяется аккомодационные модели, отличающиеся тем, что они сконструированы из уже известных зависимостей, которые при реализации модели выбираются в связи со значениями некоторых существенных факторов по заранее созданному алгоритму приспособляемости к граничным условиям.

- С целью повышения достоверности и объективности оценок результативности технологических процессов рекомендован и апробирован статистический метод, предусматривающий сравнение фактической и допустимой вариации характеристик как процесса, так и качества продукции.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что:

1. Разработан метод синтеза технологических решений в области производства листового проката, в основании которого находится обобщенный алгоритм проектирования условий прокатки профиля с использованием автоматизированных систем.

2. Изучены и уточнены особенности влияния параметров горячей и холодной прокатки на сопротивление деформации стали различных химических композиций и свойства листового проката. Получены достоверные и статистически надежные зависимости для прогнозирования напряжения текучести при прокатке и свойств проката из стали произвольной химической композиции

3. Разработаны комплексы моделей процессов толстолистовой, горячей широкополосной и холодной прокатки, применение которых обеспечивает разработку и совершенствование способов, процессов и технологий производства листового проката разнообразного назначения с требуемым уровнем качества.

Практическая значимость работы состоит в том, что использование наработанных теоретических и практических результатов позволило решить ряд актуальных в разное время задач повышения эффективности ЛПТС различного назначения.

1. На этапе анализа технико-коммерческих предложений по строительству в ПАО «ММК» толстолистового стана 5000 определены размеры слябов, необходимые для реализации четырех наиболее распространенных схем толстолистовой прокатки. Выполнено автоматизированное проектирование режимов прокатки по различным схемам. Исследованы уровни энергосиловых параметров и производительности процесса. В результате получена обширная технологическая информация для выбора рационального варианта и параметров толстолистового стана в условиях ПАО «ММК».

2. В результате исследований и анализа известного опыта работы широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) различных типов получены зависимости и разработаны алгоритмы, в совокупности представляющие собой модель разработки режима и комплексную модель процесса широкополосной горячей прокатки, которые позволяют оперативно синтезировать режимы безаварийной широкополосной горячей прокатки различных сталей, в том числе современных высокопрочных для автомобилестроения, на станах различных типов. На основе указанных методики и комплексной модели созданы компьютерные программы

автоматизированного проектирования широкополосной горячей прокатки стальных полос (свидетельства о регистрации программ для ЭВМ № 2013612426 и № 2017611998).

3. С использованием указанного программного обеспечения были разработаны режимы прокатки на ШСГП 2000 ПАО «ММК» полос из стали типа HSLA классов прочности 315-500 и двухфазной ферритно-мартенситной стали ^Р) классов прочности 600 и 1200. С учетом указанных рекомендаций и результатов опытных прокаток был подготовлен проект раздела сквозной технологической инструкции по прокатке высокопрочных сталей на ШСГП 2000 ПАО «ММК», а также разработаны способ получения на ШСГП горячекатаной двухфазной фер-ритно-мартенситной стали классов прочности 400-1000 (патент № 2476278) и способ получения горячекатаной микролегированой стали для холодной штамповки классов прочности 315-500, предусматривающий компенсацию снижения прочностных свойств при увеличении толщины полосы (патент № 2516212).

4. Определены условия и разработаны режимы получения на ШСГП тонких горячекатаных полос для замещения холоднокатаного проката общего назначения как без покрытия (патент № 2365639), так и горячеоцинкованного (патент № 2366731).

5. Разработана сквозная технология производства холоднокатаного проката с концентрацией углерода в стали 0,004-0,02% без ниобия и титана, обеспечивающая получение комплекса свойств, соответствующих нормам вытяжки ОСВ, ВОСВ (классам качества CQ, DQ и DDQ). Выявлена толщина горячекатаного подката, обеспечивающая наибольшую суммарную производительность технологической системы «ШСГП 2000 - РСХП 1700» с учетом ограничений механических свойств и вытяжки при холодной деформации металла. Определено, что при производстве марок CQ, DQ и DDQ, в указанной системе станов высокая производительность полос с пониженным содержанием углерода достигается при их толщине от 0,5 до 1,0-1,2. Наличие допустимых регламентом вариаций концен-

трации углерода и марганца может быть нивелировано изменением толщины заготовки в пределах 0,5-0,8 мм.

6. В результате исследований и анализа известного опыта работы станов холодной прокатки различных типов получены зависимости и разработаны алгоритмы, в совокупности представляющие собой методику разработки режима и комплексную модель процесса холодной прокатки, которые позволяют оперативно синтезировать режимы безаварийной холодной прокатки различных сталей, в том числе современных высокопрочных для автомобилестроения, на станах различных типов. На основе указанных методики и комплексной модели созданы компьютерные программы автоматизированного проектирования холодной прокатки стальных полос (свидетельства о регистрации программ для ЭВМ №2013611300 и № 2017618074).

7. Разработаны режимы холодной прокатки высокопрочных сталей типа Ш-HSS, HSLA, BHDDQ и DP толщиной от 0,5 до 3,0 мм в условиях станов 2500 и 1700 ЛПЦ-5, а также 630 ЛПЦ-8 ПАО «ММК» и проект раздела по прокатке таких сталей в сквозную технологическую инструкцию. НИОКР. Разработана предварительная классификация сталей марочного сортамента стана холодной прокатки 2000 ЛПЦ-11 ОАО «ММК» по группам и подгруппам выкатываемости. Разработаны режимы холодной прокатки сталей для автомобилестроения, в том числе высокопрочных, толщиной в диапазоне от 0,30 до 3,0 с градацией 0,1 мм и шириной 800-1850 мм с градацией 50 мм на стане холодной прокатки 2000 ЛПЦ-11 ПАО «ММК». Подготовлен проект соответствующей технологической инструкции.

8. На основании результатов исследования особенностей травимости окалины и влияния режимов обработки в изгибно-растяжном окалиноломателе на процесс травления и свойства горячекатаного подката различного марочно-размерного сортамента обоснован метод выбора согласованных скоростных режимов совмещенного травильного агрегата и стана холодной прокатки (патент 2506131). Разработаны усовершенствованные режимы согласованной работы сов-

мешенных травильного агрегата и стана холодной прокатки при прокатке полос из стали различных марок (в том числе IF-HSS, HSLA, BHDDQ и DP), а также рекомендации по выбору скорости прокатки полос из марок стали различных групп прочности.

9. Для применения, полученных в данной работе, научных результатов в сфере подготовки и переподготовки технического и технологического персонала, сформированы и применены в практике адресного обучения рабочие программы, учебно-методические издания и электронно-образовательные ресурсы, рассчитанные для обучающихся по профилю «Обработка металлов и сплавов давлением» и «Стандартизация и метрология».

Апробация результатов работы. Основные положения материалов диссертации были доложены и обсуждены на: межгосударственной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала южно-уральского региона» (Магнитогорск, 1994 г.); III-V, VII - XI и XIII Международных конгрессах прокатчиков (Череповец, 1999, Магнитогорск, 2001 г., Липецк, 2003, Москва, 2007 г., Магнитогорск, 2010 г., Череповец, 2013 г., Магнитогорск, 2017); конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения» в рамках Международного форума «Неделя металлов в Москве» (2009 г.); конференции «Инновационные технологии в обеспечении качества, энергоэффективности и экологической безопасности. Повышение конкурентоспособности металлургических и машиностроительных предприятий в современных условиях» в рамках международного промышленного форума «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2010 г.); IX и X международных научно-технических конференциях «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011 и 2013 г.); международных научно-технических конференциях «International Conference on Metallurgy and Materials» (Brno, Czech Republic, 2014-2016); XXII Конференции «Алюминий Сибири» в рамках VIII Международного Конгресса и Выставки «Цветные металлы и

минералы» (Красноярск, 2016); XIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство» (Старый Оскол, 2016); Международная научно-техническая конференция «Metall Forming» (Venecia, Italia, 2013); Межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2013-2018 г.); конференции «Наука и производство Урала» (Новотроицк, 2011-2012 г.)

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается:

- Рекомендованным и апробированным статистическим методом, предусматривающим сравнение фактической и допустимой вариации характеристик как процесса, так и качества продукции.

- Методом математического моделирования, на этапе оценки качества модели, дополенным характеристиками "степень соответствия" и "действенность", которые в сочетании с традиционными показателями погрешности повышают обоснованность выводов об адекватности математических моделей.

- Для повышения степени соответствия и действенности предложена концепция и применяется аккомодационные модели, отличающиеся тем, что они сконструированы из уже известных зависимостей, которые при реализации модели выбираются в связи со значениями некоторых существенных факторов по заранее созданному алгоритму приспособляемости к граничным условиям.

- Корреляцией результатов теоретических исследований с экспериментальными данными и результатами промышленных испытаний.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы из 393 наименований. Общий объем тома диссертации составляет 422 страницы, включая 176 рисунков и 94 таблицы.

1. ЗАДАЧИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЛИСТОПРОКАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Тенденции и задачи развития производства листового проката

В современных реалиях, все производимые технологические изменения в черной металлургии, направлены, в первую очередь на сокращение производственных затрат, снижение нагрузки на окружающую среду, повышение качественных характеристик продукции и освоение её новых видов. Ведущие предприятия металлургической отрасли стремятся к введению самых передовых энерго- и ресурсосберегающих технологий на всех уровнях технического передела. Такое поведение предприятий позволяет сохранять за ними ведущие позиции в условиях высокой конкуренции на рынке стали и позволяет решить задачу им-портозамещения, поставленную правительством РФ [1; 2; 3; 4].

Листовой прокат, производимый отраслю чёрной металлургии, уже более четырёх десятилетий назад был признан одним из наиболее востребованных видов металлургической продукции [5]. Спектр отраслей промышленности, в которых применяется листовой прокат, очень широк и включает, например, транспортное, сельскохозяйственное и энергетическое машиностроение, строительство и т.д. Благодаря своим свойствам, листовой прокат великолепно подходит для производства деталей методом штамповки, производства металлоконструкций, изготовлении труб и гнутых профилей. Благодаря применению малоотходных способов, при переработке листового проката, достигается высокий процент выхода годного. Поэтому уже в восьмидесятые годы прошлого века доля листового проката в общем выпуске прокатной продукции ведущими экономиками мира превышала 50 %, тогда как в СССР к 1979 г. она достигла всего 42 % [6]. В дальнейшем перед отечественной металлургией постоянно ставилась задача повышать

долю листового проката при одновременном наращивании общего объема его производства и улучшения качества [7; 8; 9].

Аналогичная задача стоит перед черной металлургией Российской Федерации и сегодня [1]. В период 2011-2014 г.г. ежегодно выпускалось от 57,4 до 58,8 млн. т проката, а в перспективе до 2030 г. объем производства должен увеличиться до 71,7 - 77,7 млн. т (рисунок 1.1, а). По аналитическим прогнозам, частная доля производства листового проката будет расти от 43,7 % в 2014 г. и к 2030 г. составит от 46,9 до 53,4 % от общего объема всего проката. (рисунок 1.1, б).

Ожидаются также заметные изменения в укрупненной структуре сортамента листового проката. Доля холоднокатаной продукции увеличится от 30,14 в 2014 г. до 38,1-45,3 % в 2030 г. (рисунок 1.1, в), а доля проката с защитными покрытиями относительно выпуска холоднокатаного проката, достигнув максимума около 65 % в 2014-2015 г.г., к 2030 г. снизится до 55-60 % (рисунок 1.1, г). Однако последнее обстоятельство обусловлено не снижением объемов производства проката с покрытиями, а более низкими темпами прироста объема выпуска продукции данной сортаментной группы. Действительно, в то время как выпуск холоднокатаного листа будет увеличиваться на 1,7-4,0 млн. т в год (линии 1 и 2 на рисунке 1.1, д), ежегодный прирост производства металла с покрытиями не превысит 0,8-2,1 млн. т (линии 3 и 4 на рисунке 1.1, д). Если же рассмотреть изменение доли металла с покрытием относительно общего выпуска листового проката, то проявляется устойчивая положительная динамика (рисунок 1.1, е) - за период 2014-2030 г.г. прогнозируется рост от 19,8 до 23,2-25,3 %. Указанные особенности связаны, по-видимому, с тем, что планируется разработка и освоение технологий производства горячекатаных листовых сталей с покрытием в толщинах 0,8 - 3,5 мм с высоким уровнем механических свойств и отделки поверхности вместо холоднокатаных.

Необходимость расширения сортамента выпускаемой продукции, применительно к стратегии развития российской чёрной металлургии в период с 2012 до 2030 годов, формулируется одновременно с задачами повышения её эксплуатационных характеристик и, соответственно, конкурентоспособности.

I 75

70 -

с 65 -

5

60 -

55

2011 2012 2013 2014 2015 2020 2025 2030 Год

а

Год Год

а е

а - общее производство проката; б - доля листового проката; в - доля холоднокатаного проката; г - доля проката с покрытием относительно выпуска холоднокатаного проката; д - ежегодный

прирост холоднокатаного проката (1 и 2) и проката с покрытием (3 и 4); е - доля проката с покрытием относительно общего выпуска листового проката; 1 и 3 - пессимистичный прогноз;

2 и 4 - оптимистичный прогноз Рисунок 1.1 - Некоторые тенденции развития производства проката черных металлов в Российской Федерации (на основании данных [1])

На ряду с этим даются указания по увеличению объема экспортной продукции с высокой добавленной стоимостью и увеличение возможностей импортоза-мещения. В целом же для развития черной металлургии России в ближайшей пер-

спективе прогнозируются замедление темпов роста объемов производства и по-

требления металлопродукции; увеличение доли продукции, поставляемой на внутренний рынок. Указывается необходимость внедрения новой техники и технологий, которые будут способствовать как расширению сортамента и улучшению качества металлургической продукции, так и ресурсо- и энергосбережению, снижению негативного экологического воздействия на окружающую среду. Ставится задача оптимизации избыточных производственных мощностей, одним из решений которой будет строительство мини-заводов, передельных и сервисных центров.

В современном листопрокатном производстве динамично усиливается тенденция к расширению выпуска продукции из стали с уникальными сочетаниями служебных свойств [10]. Например, на рисунке 1.2 представлена одна из возможных современных классификаций типов холоднокатаной конструкционной стали, используемая подавляющим числом специалистов, задействованных в отрасли автомобилестроения [11].

Рисунок 1.2 - Графическое изображение классификации современных типов стали для

холодного деформирования

При более общем подходе типы стали, указанные на рисунке 1.2, рассматривают как сталь производства изделий с применением холодного деформирования. При разделении этих видов стали по показателям прочности традиционно выделяют три класса - класс с пониженной прочностью (LSS, предел текучести ограничен значением в 210 МПа при максимальном предел прочности в 270 МПа), класс с высокой прочностью (HSS, 210-550/270-700 МПа) и класс сталей, обладающих особо высокой прочностью (UHSS, более 550/700 МПа). Наряду с описанными тремя классами имеют место традиционные стали высокой прочности (Conventional HSS) и перспективные (усовершенствованные) (Adva^eed HSS) высокопрочные стали. Перспективные высокопрочные стали имеют, как правило, особо высокую прочность (обозначение U/AHSS) и в своём развитии прошли через три стадии (или поколения), отличных друг от друга видами применяемых в их строении структур.

Так, например, при рассмотрении традиционных высокопрочных стелей и перспективных сталей, относящихся к первому поколению (U/AHSS #1) можно отметить преобладание ферритно-мартенситных структур в их строении. В сталях традиционных типов реализуются методы твердорастворного упрочнения, увеличение прочности путём измельчения структурного зерна или любые другие варианты упрочнения, основанные на диспергировании структурных составляющих, а также упрочнение по средствам включения в структуру дисперсных частиц. В перспективных сталях упрочнение достигается с использованием различных методов, приводящих к формированию высокопрочных структурных составляющих в ферритной матрице. Для усовершенствованных сталей #2 и #3 поколений (U/AHSS #2 и U/AHSS #3) характерна аустенитно-мартенситная структура. На данный момент широкое распространение получили традиционные высокопрочные стали и перспективные стали первого поколения. Их промышленное производство налажено на большом количестве металлургических предприятий [12; 13; 14].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Румянцев, Михаил Игоревич, 2018 год

- - + -

рср - - - +

На рисунке 2.5 представлены графики, иллюстрирующие степень связи факторов и составляющих температурного баланса. Для изменений температуры за счет излучениея и конвекции существенным оказалось влияние времени охлаждения к толщине полосы (т/ к), при контакте с рабочими валками решающим является произведение скорости и толщины раската на выходе из очага деформации (упк\), для деформационного разогрева - среднее контактное давление рср.

В отличие от ранее выполненного исследования для определения интервалов аккомодации по каждому из факторов применили метод, аналогичный методу построения интервального вариационного ряда. Соответствующий фактору X

диапазон его варьирования х]тах | разбивали на интервалы длиной

И' = 0.9&76

140 120 100 О 80

О _ < 60

40

20 О

\ 1 Л

м

*у

- - — г— -

0.0 0,2 0,4 0,6 0,а 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 т»1

а

= 0,8211

0,0 0,2 0,4 0,6 0.В 1,0 1,2 1.4 1,8 1.8 2.0 т/Ъ

б

Я2 = 0,8031

70 60 50 О 40

о

€

< 30 20 10

___

! !

*

♦ ♦ т. - .—г—'

-1-

50 45 40 35

а зо

о

< 20 15 10 5 0

• * N

• - /г / **

* ** ^ 1* *

*

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0.30 VIII

в

200

400 ВСЮ

Рср

г

800 1000

а - излучением; б и в - конвекцией с окружающей средой и отдачей валкам;

г - пластической деформацией

Рисунок 2.5 - Влияние существенных факторов на составляющие изменения температуры

А у = ( - Ху т-а)/(к - 1), где к = 1 + 3,322^ (п) - число интервалов; п - число

наблюдений. Для каждой составляющей температурного баланса А? т (X есть вид воздействия на металл, вызывающий изменение его температуры - т.е. конвекция воздуха, излучение в окружающую среду, теплопередача валкам и деформационный разогрев) в каждом наблюдении (/ = 1,...,п) расчетами по нескольким формулам (ф = 1,...,т) получали выборки {А?хф/} и находили среднее значение

м

А?х/ = (Vт)Ет=1 А?Хф/. Предпочтительной формулой для расчета Агт в / -наблюдении считали ту, результат применения которой отвечает условию

^ шт. Для интервала аккомодации предпочтительной считали формулу, которая в данном интервале обеспечивала указанное условие наиболее часто.

Применительно к изменению температуры излучением в случаях, когда значения фактора т ге/И не превышают 0,3 с/мм, лучший результат показала формула Ю.Д. Железнова и Б.А. Цифриновича, которая в работе [161] имеет обозначение (11.20)

А^ = 1,9— рс

^ Т ге

(2.9)

100 ) И

где С - относительная степень черноты металла, Вт/м2 К4; р - плотность стали, кг/м3; с - теплоемкость, кДж/кг; 10ге - исходная температура металла, °С; т ге - время излучения, с; И - толщина раската, мм. В диапазоне значений 0,3 <тге/И < 1,3 с/мм предпочтительно применять формулу А. Лавайля и Г. Кройлича [161, 11.18]

л ! I Р сИ- 10

Ч =^0ге + 273)- ' Р

«21,6-Ю- — с РИ-10"з (2.10)

( ^ге + 273)

При т ге/И >1,3 с/мм лучшие результаты обнаружила формула В.А. Тягуно-ва [38, 11.8] (отношение 1/600 заменено его значением с точностью до 4 знака)

Аг = 0,0017Г^0-^73! 1«, (2.11)

г ^ 100 ) И у ;

Снижение температуры полосы при ее контакте с валками в случае vnИl < 0,44 м2/с лучше отображает формула Ю.Д. Железнова И Б.А. Цифриновича [161, 11.54]. С учетом того, что агееоБ[1 -(И0 -И1)/(2R)] есть угол захвата а , формулу представляем с следующем виде:

3

At* = 1,83 • Ю-2 (t0n - 60) /ET, (2.12)

К + К \ vn

где * - опережение.

Если vnh1 > 0,44 м2/с, предпочтительной является формула Ш. Гелеи [161, II.49]

A'» = 4 ('0n - ^ ^ (К + ^).10-3 ' (2.13)

где 10n и tR - температура металла в сечении входа в очаг деформации и рабочего валка, °С;

aR =(6-12) 103 Вт/м2К - коэффициент теплоотдачи (значение принималось в указанных пределах как случайное число). Для прогнозирования снижения температуры полосы в результате конвективного теплообмена с воздухом во всем диапазоне фактора тre/h (от 0,058 до 2,221 с/мм) в качестве предпочтительной проявилась формула Н.Н. Крейдлина [161, II.41]. В оригинале записи данной формулы первым сомножителем стоит

число 2, а время должно быть выражено в часах. Тогда получим 2/3600 = 5,55-10 -4 и формула принимает следующий вид:

Ate = 5,55-10-4 A Ктр , (2.14)

где A - эмпирический коэффициент.

На основании [161, рисунок 73] получили парную аппроксимацию

А = 2,5993 - 0,3051п [(t0)ee + te )/2] (R 2 =0,998).

Во всем диапазоне значений среднего контактного давления (45-800 МПа) деформационный разогрев рекомендуется определять по формуле В.И. Зюзина, М.Я. Бровмана и А.Ф. Мельникова [161, 11.97]

&„ = 0,502Рср 1g (МИ), (2.15)

Алгоритм расчета температуры металла за один проход приведен в виде блок-схемы на рисунке 2.6.

Качество модели оценивали для 225 случайно выбранных вариантов из совокупности данных о прокатке на стане 2000 ПАО «ММК» 4080 полос из углеродистых и 4030 полос из низколегированных марок стали. При прокатке углеро-

Рисунок 2.6 - Блок-схема алгоритма аккомодационной модели прогноза температуры металла

за один проход при прокатке на ШСГП

дистых марок температура конца черновой прокатки наблюдалась, в основном, в пределах 1040-1100 (рисунок 2.7, а), а конца чистовой - преимущественно в диа пазоне от 830 до 920 °С (рисунок 2.7, б). Черновая прокатка низколегированных марок завершалась, в основном при температуре 1040-1090 °С (рисунок 2.7, в), а чистовая - в диапазоне от 760 до 860 °С (рисунок 2.7, г).

При тестировании модели актуальные значения параметров, которые трудно идентифицировать, принимали как случайные значения из известных интерва

1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1110 740 760 780 800 820 840 880 900

Температура конца черновой прокатки, "С Температура конца чистовой прокатки, 'С

в г

Рисунок 2.7 - Вариация температуры конца черновой и чистовой прокатки для углеродистых (а-б) и низколегированных (в-г) марок стали на ШСГП 2000 ОАО «ММК»

лов их варьирования: х = х + я - Кпи(-3;3), где х и я - среднее выборочное и выборочное стандартное отклонение параметра х. Например, известно, что температура технической воды находится в пределах от 15 до 35 °С. В таком случае х «(15 + 35)/2 = 20 °С; я «(35 -15)/4 = 5 °С и ^ = 20 + 5 - Rnd(-3;3). Для температуры нагрева сляба в интервале от 1170 до 1280 °С выборочное стандартное отклонение фактической температуры от номинального значения я = 0,0173^ -15,5 °С. Следовательно, актуальная температура ^ сл = ^ °л +(0, 0173СЛ -15,5)Rnd(-3;3). Характеристики вариации температуры рабочих валков приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Характеристики вариации температуры рабочих валков широкополосного стана горячей прокатки

VC R1 R2 R3 R4 R5 R6 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7

76 74 68 64 55 54 77 77 72 71 65 66 62

%тах 81 76 73 68 64 60 85 85 80 79 75 75 70

X 79 75 71 66 60 57 81 81 76 75 70 70 66

S 0,7 0,8 1,0 0,8 0,7 0,7 0,83 0,83 0,83 0,67 0,83 0,83 0,83

Диаграммы соответствия прогнозируемых значений температуры конца черновой и чистовой прокатки представлены на рисисунке 2.8.

1110

и й 1100

а.

¡й 1090

31

Я 1080

к

и

1070

я

п

ai 1060

сз

к

С11 1050

Т

Я

н 1040

я

1030

R2 = 0,82 1 2 1

od У

о ■ 3 -ji sZPoi '-U

□

О •О

/ J * оуг/ еродистая зколегированная -1-1-

• ^ ■ Ни -

950

и о 930

с У1и

<11 890

S

и (11 870

гг

а в 850

Г1

01 830

И

810

(Г

к /90

н

а //О

750

Rz 1 fl 90R? 2 SS

3 ЯЙ il

3-J-Q-Q ) " о

jasir о

о Углеродистые □ Низколегированные" —1—1—1—

1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110 1120 Прогнозируемое значение СкпК , °С

а

750 770 79 D 81D S30 85D 870 890 910 93Q 950 Прогнозируемое значение tHIlf,°C

б

Рисунок 2.8 - Диаграммы соответствия прогнозируемых и фактических значений температуры конца черновой (а) и чистовой (б) прокатки на ШСГП

Погрешность прогноза составила от минус 6,4 до +3,0 %. Однако в области температур 1030-1120 °С такая, относительно малая погрешность, означает абсолютные отклонения от минус 70 до +15 °С. Степень соответствия разработанной модели по температуре конца черновой прокатки 82,3 % (рисунок 2.8, а). При допустимой погрешности 5 % действенность модели 81,2 %.

По температуре конца чистовой прокатки качество модели характеризуется относительной ошибкой от минус 23 до +24 % и абсолютными отклонениями от минус 30 до +28 °С. При этом степень соответствия прогнозируемых и фактических значений 90,8 % (рисунок 2.8, б), а действенность модели 88,6 % при погрешности до 15%.

2.3. Анализ и повышение действенности инструментов статистического

прогнозирования

Возможности повышения действенности уравнений регрессии и нейронных сетей изучили совместно с К.Е. Черкасовым на примере статистического приемочного контроля толстолистового проката исходя из корреляционной связи параметров. В соответствии с данным методом [162; 163; 164] строят множественные линейные аппроксимации, которые отображают зависимость свойств проката от химического состава стали и процесса обработки. Доверительный интервал X ^^ определяется для каждого уравнения, а также нижнее CL = LSL + Х ^ и верхнее CU = USL -И ^ приемочные числа (здесь LSL и USL - нижняя и верхняя границы допуска для контролируемой характеристики продукции). На основании данных о реальном химсоставе стали и фактических параметрах процесса, по соотношениям множественной регрессии определяются

А

значения параметров качества Y.

Был исследован процесс прокатки толстого листа толщиной 9,0-16,8 мм и класса прочности К60 на стане 2800 ОАО «Уральская Сталь» [154; 155]. Применялась технология контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Деформация рекристаллизующегося аустенита осуществлялась в клети дуо, а деформация на стадии заторможенной рекристаллизации - в клети кварто. По результатам испытания механических свойств металла 200 плавок, (800 наблюдений) нашли регрессионные уравнения и ИНС с тращиционными объясняющими переменными (химический состав стали, толщина промежуточного раската И Р ,

температуру конца прокатки в клети дуо t кп(1); суммарный коэффициент деформации в клети кварто Ц п; температуры начала tнп (11) и конца прокатки tкп( 11) в клети кварто; температуры начала tнуо и конца tкуо, а также скорость CRyo ускоренного охлаждения) и с нетрадиционными факторами (отклонения температур tкп, tнуо и tкуо от температур начала Ar3 и окончания Ar1 у ^ а превращения

. * . *

( А кп = tкп - ^3; А кп = ^кп - ; А нуо = tнуо - ^3 ; А нуо = tнуо - Ar1; А куо = tкуо - Ar1;

*

Акуо = tкуо - Arз)). Значения температур Arз и окончания Ar1 по формулам

С.Л. Коцаря, А.Д. Белянского и Ю.А. Мухина для низколегированных сталей [136]. Нетрадиционные характеристики химического состава сконструировали по методике, предложенной в работе [165].

Розработку нейронных сетей и регрессионных моделей выполняли в программном комплекси БТЛТКТГСЛ. Модуль «Множественная линейная регрессия» применялся для уравнений на базе традиционных переменных, а «Общие регрессионные модели» для модернизированных. В обоих случаях рассматривалась доверительная вероятность в 95%. Данный подход являлся способом преодоления проблемы мультиколлинеарности объясняющих переменных и обеспечил наличие только значимых коэффициентов регрессии в уравнении [126-128]. Также, модуль «Общие регрессионные модели» обеспечил построение множественных нелинейных аппроксимаций, которые создают дополнительные предпосылки к повышению точности и действенности статистического прогнозирования. Нейронные сети с различными наборами традиционных и модернизированных входных переменных строили на основе множественного персептрона с использованием алгоритма обучения Левенберга-Маркара.

Точность и действенность статистического прогнозирования с применением традиционных и модернизированных переменных сравнивали на новом массиве данных о результатах испытаний 50 плавок (438 наблюдений). Так как вероятность соответствия показателей качества требованиям для всего объема продукции по ОСТ 14-1-34-90, должна составлять не менее 98%, при определени 2тах

принимали =2,33. Значения максимальных ошибок для полученных уравнений

и нейронных сетей приведены на рисунках 2.9 и 2.10, соответственно.

Из рисунков 2.9 и 2.10 видно, что ошибки прогнозирования с применением уравнений и нейронных сетей, построенных на комплексе традиционных переменных выше, чем для уравнений и сетей, найденных на основе модернизирован

Рисунок 2.9 - Ошибки уравнений с традиционными и новыми объясняющими переменными для статистического приемочного контроля механических свойств

толстолнстового проката

Рисунок 2.10 - Ошибки различных вариантов ИНС для прогнозирования механических свойств толстолистового трубного проката

ных переменных. То же самое подтверждают данные таблиц 2.4 и 2.5 где представлены результаты прямых испытаний в сравнении с результатами, полученными по уравнениям регрессии и нейронных сетей при одинаковых условиях процесса.

Таблица 2.4 - Сравнение данных прямых испытаний с расчетными значениями

по уравнениями регрессии

Показатель Прямое испытание Традиционное уравнение Отклонение, % Модернизированное уравнение Отклонение, %

<гт, Н/мм2 580 612 5,2 590 1,7

550 575 4,3 562 2,1

520 556 6,5 556 6,5

(Г„, Н/мм2 В ' 680 701 3 693 1,9

670 695 3,6 682 1,8

690 712 3,1 700 1,4

5, % 21 15 30 23 8,7

23 14 40,3 25 8,0

22 15 30,5 25 12,0

кcu -60, Дж/см2 150 185 18,9 163 8,0

124 156 20,5 144 13,9

143 171 16,4 159 10,1

KCV ~20, Дж/см2 109 149 26,8 121 9,9

133 165 19,4 141 5,7

112 152 26,3 131 14,5

Если использовать уравнения на основе традиционных переменных, то отклонения находятся в диапазоне от 3,0 до 40,3%, тогда как для уравнений с модернизированными переменными - от 1,4 до 14,5 % (таблица 2.4). При допустимой ошибке прогноза 151 < 10 % действенность комплекса уравнений с традиционными объясняющими переменными =40 %, а для комплекса на основе модернизированных переменных E10 =73,3 %. При допустимой ошибке 15 % для первого случая действенность не улучшается, а для второго возрастает до 100%

Использование ИНС для прогноза свойств на основе традиционных параметров, отклонения составляют 1,6-10,7%, а при использовании ИНС с модернизированными парамтерами - 0,4-3,4% (таблица 2.5). Среднее значение отклонений в первом случае составляет 5,6, а во втором - 2,0%. Для ИНС на основе модернизированного комплекса переменных действенность 100 % достигается уже при

допустимой ошибке 5%. Для ИНС на основе комплекса традиционных переменных действенность Е5 =40,0 % и достигает 100% только при |51>11 %. Таким образом, применение модернизированного набора параметров в ИНС существенно повышает точность статистического прогноза механических свойств толстолистового проката.

Таблица 2.5 - Сравнение данных прямых испытаний с расчетными значениями

нейронных сетей

Показатель Прямое испытание Традиционные нейронные сети Отклонение, % Модернизированные нейронные сети Отклонение, %

<УТ, Н/мм2 580 590 1,7 577 0,5

550 538 2,2 545 0,9

520 531 2,1 526 1,1

(Г „, Н/мм2 В ' 680 691 1,6 684 0,6

670 658 1,8 666 0,6

690 701 1,6 693 0,4

8, % 21 23 8,7 21,5 2,3

23 21,6 6,5 23,8 3,4

22 20,9 5,3 22,7 3,1

KCU Л Дж/см2 150 168 10,7 154 2,6

124 132 6,1 120 3,3

143 156 8,3 146 2,1

KCV ~20, Дж/см2 109 121 9,9 112 2,7

133 148 10,1 129 3,1

112 121 7,4 115 2,6

2.4. Повышение достоверности и объективности оценивания результативности технологических операций и процессов

Исходя из того, что изменчивость показателя качества проката может распределяться по нормальному закону, предлагаем применять следующие дифференциальные показатели и оценки [147]: в случае нормирования качества только

по максимально допустимому значению (оценка соответствия по верхней границе)

Ушь

А

шь .

35

(2.16)

в случае нормирования качества только минимально допустимому значению (оценка соответствия по нижней границе)

А

ЧЬБЬ -

'ЬБЬ .

35

(2.17)

в случае нормирования качества минимально и максимально допустимыми значениями (оценка соответствия по положению среднего)

Ягк - ™п(УЬБЬ;Ушь) • (2.18)

В (2.2.44)-(2.2.46) Аи8ь - ШЪ - Х и Аь8ь - Х - ЬБЬ есть интервалы варьирования оценки качества (рисунок 2.11), а 35 - доля его изменчивости, в пределах допустимого интервала.

иБЬ

ЬБЬ

Г"А ьзь^

/

/

/

А

ть

\

\

\

35

35

х

4-

Рисунок 2.11 - К расчету оценки соответствия

Для точечной характеристики изменчивости и ее центра рассеяния используем стандартное отклонение и выборочное среднее

1 П 2 л —Х, - Х ) ;

У п ,-1

х

1 п

- - 2 Х '

п ,-1

(2.19)

(2.20)

где Xj - результат измерения единичной оценки качества единицы продукции (i = 1,K ,п ).

Показатель соответствия подобен известному в SPC [143; 144, 145] индексу пригодности процесса Ppk, т.к. в них сравниваются допустимая вариация показателя качества с учетом положения центра фактической вариации (числитель) и фактическая вариация (знаменатель). Однако при расчетах Ppk используются совокупные данные, представленные в выборках, которые были сделаны в процессе производства многих партий продукции определенного вида из нескольких плавок стали одной и той же марки за длительный период времени. При расчетах qPk используются среднее значение (как центр фактической вариации) и стандартное отклонение (как характеристика фактической вариации) для выборки по одной партии продукции или по нескольким партиям той же самой продукции, но произведенным из стали одной и той же плавки. Вследствие подобия показателей соответствия индексам процесса, могут быть использованы показатели результативности технологии и «удовлетворительная», «хорошая» и «отличная», которым соответствуют следующие значения: более 1,67; 1,33-1,67 и 1,00-1,33. Позже подобный подход, особенность которого состоит в распространении традиционных методов оценки стабильности процесса на короткий промежуток времени, был также применен в работах [166; 167; 168].

Принцип применения показателя соответствия для оценивания состояния процесса или качества продукции заключается в следующем. Чем выше qpk, тем ближе фактические значения показателей ( x ) к середине интервала допустимой вариации и тем меньше их фактическая изменчивость ( 5 ). Поэтому предпочтительными значениями контрольных параметров технологического процесса и характеристик качества являются те, которые дают максимальные значения показателя соответствия. На основе указанного принципа может быть построена процедура поиска рационального технологического решения. Для поиска результативного сочетания значений всей совокупности контрольных характеристик процесса

(управляемых технологических параметров) необходимо решать задачу, аналогичную задаче многокритериальной оптимизации [172] (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Алгоритм поиска рационального технологического решения с применением целевой функции на основе оценок соответствия

При этом целевую функцию можно рассматривать как сумму отклонений характеристик соответствия различных показателей качества у) (у = 1,2,..., ж)

от одного и того же целевого значения qрк е {1,00; 1,33; 1,67}, а за критерий рациональности принять ее максимум:

ж

¥ = Х||(уq Рк ] —тах; (2.21)

у

Показатель соответствия 7-ой характеристики качества продукции определяется границами допуска для данной характеристики Е8Ьу и и8Ьу, заданных в

нормативной документации, а также совокупностью значений управляемых пара-

метров, которая в общем случае может отображаться вектором химических ком-

Г 1 ( ^

позиций sc (с =1, ..., к) и вектором режимом обработки R = {rij (i = 1,K ,n):

qpk( j )=fj (LSLj ;USLj; s с; R i)

Выделение массовых долей элементов в самостоятельную группу оптимизируемых параметров целесообразно в связи с существованием по крайней мере

двух вариантов постановки задачи. Наиболее распространен вариант, когда необ-

1 *

ходимо отыскать рациональный режим прокатки Ri* стали с заданной химической i

композицией S . В этом случае коэффициент соответствия остается функцией химической композиции, но массовые доли химических элементов рассматриваются как константы. Другой вариант предусматривает поиск и рационального

химсостава, и рационального режима прокатки. В таком случае возможные хими-

i

ческие композиции удобно рассматривать как альтернативы Нс (с = 1, K ,к). Для

1 *

каждой из альтернатив находят Rc которому будет соответствовать определенное значение целевой функции Fs. Тем самым будет определено некоторое множество локальных решений, а в качестве итогового выбирается такое, которому соответствует наибольшее из найденных значение целевой функции F * = max {Fc j.

2.5. Развитие модели прогнозирования сопротивления при горячей пластической деформации стали с произвольной химической композицией

При разработке оценке режимов прокатки особое значение имеет прогноз сопротивления металла деформации, т.к. от него в значительной мере зависят энергосиловых параметров (усилие, момент и мощность прокатки). Сопротивление металла пластической деформации определяется схемой напряженного состояния и пределом текучести при истинных условиях деформирования. В отечественной литературе по теории прокатки используют понятие «истинный предел текучести» и обозначения аи [173], ат [174], аs [175]. За рубежом используют

понятие «среднее напряжение текучести» (Mean Flow Stress) и обозначения MFS

Исходя из современных представлений, напряжение текучести - напряжение, которое в условиях линейного напряженного состояния вызывает пластическую деформацию. Напряжение текучести изменяется в процессе упрочнения материала, т.е. это переменная величина. Предел текучести - напряжение, которое вызывает пластическую деформацию в начальный момент деформирования [179-

Для наиболее точного определения а $ используют пластометрическое исследование нескольких образцов конкретной марки стали при различных температурах, по результатам которого получают уравнение вида:

где , 0, 0 - степень деформации, скорость и температура деформирования (термомеханические параметры); Ао,а,Ь,с - эмпирические коэффициенты.

Несомненным достоинством пластометрического исследования конкретных марок стали является высокая точность уравнений, отображающих взаимосвязи

реологические свойства с термомеханическими параметрами. В то же время такие результаты имеют ограниченное применение, т. к. полученное уравнение обладает достаточной точностью только для того химического состава, который имели исследуемые образцы. Однако на разных заводах одна и та же марка стали может иметь существенно различающийся химический состав. Предел текучести стали в слуае произвольной химической композиции можно определить по методике Л.В. Андреюка, в соответствии с которой [190]

Параметр а0 (предела текучести при стандартных условиях испытания) и коэффициенты уравнения определяются с помощью слудующих аппроксимаций:

[176], ятеап [177], f [178]

181].

а, = aSb exp (с-6);

(2.22)

(2.23)

а 0 = 66.8 + 0.1 а = 0,126 + 0,01 Ь = 0,125 + 0,01 с = -2,82 + 0,01

(к[Х 1 + к'[Х1,5) +... + (к[3 X13 + к'[ъ X15)

'{¡[X1 + ¡¡X15) +... + (/1з X13 + \\ъ X15); (m'lXl + т'^1,5) +... + (т\з X]lз5 + т^ X]lз5)

_(nlXl + и^1,5) +... + (п1з X13 + п'1з ^з5)_

- обозначения

(2.24)

(2.25)

(2.26) (2.27)

Тут X1,..., X13 - обозначения химических элементов;

1 > 1» 1> 1» > » > » 11

к , к , / , / , т , т , и , п - коэффициенты, полученные на основе пластометриче-ских исследований (таблица 2.6).

Таблица 2.6 - Условные обозначения химических элементов и коэффициенты для расчета напряжения текучести по методике Л.В.Андреюка и Г.Г.Тюленева [89]

Химический элемент Условное ооозначе-нпе Коэффициент

к' к" Г Г т' т г п « п

С XI -65,7 141 9,17 -5,24 23,0 -18,6 -63,0 43,1

Мп Х2 134 -36,2 -0,314 0,107 2,37 -0,591 -25,6 8,07

Хз 31,9 -37,8 -4,98 3,57 5,30 -3,39 59,3 -45,5

Сг Х4 155 -31,3 -0,29 0,0612 1,32 -0,358 -15,9 2,66

N1 Х5 70,6 -5,04 -0,315 0,0319 0,450 -0,037 7,28 -0,633

Хб -155 40,1 0,559 -0,148 1,90 -0,549 -29,3 11,0

Мо X:7 -371 175 3,07 -1,07 -2,64 0,428 16,5 5,56

V Хз 2204 1521 -20,8 19,3 -28,9 24,0 286 -495

77 Хд 757 -625 -8,44 5,56 -0,0365 -6,19 -44,7 28,3

А1 XI о 1303 -908 15,2 -9,55 60,6 -36,5 -804 503

Со Хи 1874 -412 23,1 -5,63 63,9 -15,2 -1155 270

№ X] 2 -291 219 -7,09 5,30 56,3 -63,9 -1529 1610

Си Хз -84,0 127 4,96 -2,62 -7,59 6,43 -242 124

Л. В. Андреюк указывает следующие диапазоны термомеханических параметров, при которых ошибка определения сопротивления деформации по данной методике составляет ±4 % при доверительной вероятности 95 %: 0 = 0,01-150 с-1;

^ = 0,05-0,3; 0 = 800-1300 °С. Для высоколегированных сталей и сплавов точность результатов выше, чем для низколегированных и углеродистых. При определении

а5 рядовых сталей содержащиеся в них остаточные хром, никель и других элементы часто не указываются в плавочном химическом анализе и пренебрежение ими приводит к занижению результатов.

В соответствии с методом термомеханических коэффициентов [183; 184; 185; 186; 187] формула (2.23) может быть представлена как произведение коэффициентов К0=0а, К =(10Ь и К0 =(0/1000)с, которые, соответственно, учитывают влияние скорости, температуры и степени деформации. Чтобы оценить погрешность применения методики Л. В. Андреюка при определении сопротивления деформации в случае контролируемой прокатки рассмотрели особенности влияния термомеханических параметров на коэффициенты К^, К^ и К0 в формуле Л.В. Андреюка в сравнении с аналогичными коэффициентами в формулах В.Н. Погоржельского [23] и С.В. Денисова [188]. Расчеты производили для стали, химическая композиция которой может обеспечить получение толстолистового проката категории Х70 (таблица 2.7)

Таблица 2.7 - Варианты химической композиции стали категории прочности Х70

£ Содержание химических элементов, % Параметры формулы (2.23)

дц и з о п о « С Мп Si Сг N Мо V ъ А1 ЫЪ Си а0, МПа а Ъ с

А 0,06 1,40 0,08 - 0,03 0,19 - 0,016 0,03 0,03 0,02 78 0,100 0,174 -4,184

Б 0,10 1,92 0,31 0,03 0,21 0,25 0,1 0,017 0,05 0,10 0,03 106 0,132 0,195 -3,144

Х70 0,07 1,69 0,22 0,03 0,12 0,22 0,1 0,016 0,04 0,05 0,03 97 0,113 0,189 -3,742

В таблица 2.7 композиция А представляет собой совокупность минимальных долей химических элементов из упоминаемых в литературе вариантов. Композиция Б - совокупность максимальных долей, а Х70 - совокупность средних значений. Здесь также представлены параметры формулы Л.В. Андреюка (2.23) для каждой из композиций. Интересно отметить, что вариации химсостава изменяют напряжение текучести при стандартных условиях от 78 до 106 МПа, т.е. бо-

лее чем на 25%. При химической композиции Х70 формула Л.В. Андреюка принимает следующий вид:

а 5 = 97 0 °'113 (10 %)0Д89 (0/1000)-3,742. (2.28)

Формула В.Н. Погоржельского

1530 0Д012 % 0,2498exp(-0,0050) (0 > 800oC)

3860 0,2012% 0,2498 (0,03050- 0,1953 • 10-40 2-10,9) (0 < 800oC)

Формула С.В. Денисова

а 5 = <

(2.29)

а $ = 2414 0 0'087% 0,1271exp(-0,00286 0). (2.30)

Известно, что термомеханический коэффициент некоторого параметра отображает изменение напряжения текучести под воздействием данного параметра относительно значения а 0. Другие термомеханические параметры при этом должны быть зафиксированы на уровнях, соответствующих стандартным условиям испытаний ( 0 0 , %0 , 00 ). Поэтому при известном уравнении а$ = а$(а0; 0; %; 0)

расчет выполняется по следующим формулам:

К 0 = а $ (0;% = % 0;0 = 0 0 )/а 0; (2.31)

К % = а $ (0 = 00;%;0 = 0 0 )/а 0; (2.32)

К 0 = а $ (0 = 0 0;% = % 0;0)/а 0. (2.33)

Для всех сравниваемых формул % 0 =0,1 и 0 0 =1000оС. В формулах (2.29) и (2.30) степень деформации оценивается логарифмом коэффициента обжатия % = 1п (к0/к1). При построении формулы (2.23) Л.В. Андреюк и Г.Г. Тюленев рассматривали степень деформации как относительное обжатие первого вида % = 8 = (к0 - к1)/к0. Во всех случаях скорость деформации рассчитывается по формуле А.И. Целикова 0 = %, где V - скорость прокатки. Изучение точности расчета средних значений термомеханических параметров по различным формулам, выполненное с применением конечно-элементного моделирования [189], показало, что именно относительное обжатие первого вида и формула А.И. Целико-

ва дают наименьшие погрешности при оценивании средних значений степени и скорости деформации.

В формулах (2.29) и (2.30) & 0 =10 с-1, в то время как Л.В. Андреюк указывает значение &0 =1 с-1. Однако несмотря на то, что в методике Л.В. Андреюка стандартные условия испытания отличаются существенно более низкой скоростью деформации, значения а 0 для стали указанного химсостава примерно совпадают (96, 97 и 102 МПа по формулам Л.В.Андреюка, Н. Погоржельского и С.В. Денисова соответственно). Графики, которые иллюстрируют изменения термомеханических коэффициентов, приведены на рисунке 2.13.

По методике Л.В. Андреюка коэффициент влияния скорости на 28-30 % больше, чем по другим методикам (рисунок 2.13, а). Различия между значениями К^ (рисунок 2.13, б) в области малых деформаций незначительные, но с увеличено 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

0 5 10 15 20 Q _! 0,0 0,1 0,2 0,3 0.4 0,5

•О, с

а б

650 750 850 950 1050 1150

в

1, 2, 3 - по формулам (2), (3) и (4) соответственно Рисунок 2.13 - Изменчивость коэффициентов влияния скорости (а), степени (б) и температуры

о 1 □ 2 ■ 3 -

деформации (в)

нием степени деформации до Kç=0,5 расхождение достигает 12 %. При этом коэффициент влияния степени деформации по методике Л.В. Андреюка, имеет примерно среднее значение. Коэф фициенты влияния температуры, рассчитанные из формул Л.В. Андреюка и С.В. Денисова, при вариации температуры изменяются монотонно (рисунок 2.13, в). По методике В.Н. Погоржельского наблюдается скачкообразное изменение K 0 при температуре около 800 °С. Этот факт можно объяснить фазовыми превращениями в стали. В диапазоне температуры 1000-1150°С значения K 0 по всем методикам различаются несущественно, а в диапазоне 800-950 °С для методики Л.В. Андреюка типичны средние по величине значения K е.

Предположили, что для учета влияния фазового превращения на величину напряжения текучести формулу (2.23) можно дополнить коэффициентом

Kya(0)~ Q(е)/Q(1000), где Q(е) и Q(1000) - значения некоторого физического

свойства стали при температуре е и 1000оС соответственно. В таком случае формула (2.23) принимает следующий вид:

' е ^с

(2.34)

а ; = -а^ о ^ (10Ç)è

K

ya