Совершенствование методов моделирования энергосиловых параметров станов холодной прокатки для повышения эффективности производства тонких полос тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Шалаевский, Дмитрий Леонидович

• Шалаевский, Дмитрий Леонидович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шалаевский, Дмитрий Леонидович

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы.

1.1. Актуальность проблемы повышения точности расчета энергосиловых параметров процесса холодной прокатки.

1.2. Анализ существующих моделей энергосиловых параметров процесса холодной прокатки.

1.2.1. Методы расчета длины очага деформации.

1.2.2. Модели сопротивления деформации.

1.2.3. Модели коэффициента трения.

1.2.4. Методы расчета усилия прокатки и среднего контактного напряжения.

1.2.5. Методы расчета работы и мощности холодной прокатки.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Моделирование напряженного состояния полосы и расчет усилия прокатки в очаге деформации с двумя нейтральными сечениями.

2.1. Обоснование структурного типа очага деформации с двумя нейтральными сечениями.

2.2. Методика расчета переменных контактных напряжений в очаге деформации с двумя нейтральными сечениями.

2.3. Определение средних значений нормальных контактных 38 напряжений и усилия прокатки в очаге деформации с двумя нейтральными сечениями.

2.4. Распределение контактных напряжений по длине очага деформации с двумя нейтральными сечениями.

2.5. Проверка достоверности методики расчета усилия прокатки и контактных напряжений.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Усовершенствование методики расчета длины очага деформации путем учета влияния технологических факторов на протяженность упругих участков.

3.1. Анализ технологических факторов, оказывающих влияние на протяженность упругих участков.

3.2. Методика расчета длины упругих участков, учитывающая влияние технологических факторов прокатки и износ шероховатости поверхности бочки валков.

3.3. Проверка достоверности разработанной методики расчета длины упругих участков очага деформации.

3.4. Уточнение закономерностей напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка методики расчета мощности прокатки, момента и мощности главного привода рабочей клети с учетом количества нейтральных сечений в очаге деформации.

4.1. Методика расчета удельной работы и мощности прокатки.

4.2. Расчет момента и мощности двигателей главного привода стана холодной прокатки.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Разработка комплексного алгоритма энергосилового расчета стана холодной прокатки и проверка достоверности новой методики расчета мощности его главных двигателей.

5.1. Комплексных алгоритм энергосилового расчета стана холодной прокатки.

5.2. Проверка достоверности новой методики расчета мощности главных двигателей стана.

Выводы по главе 5.

Глава 6. Использование новых методов моделирования энергосиловых параметров для совершенствования технологии холодной прокатки.

6.1. Анализ факторов, влияющих на положение второго нейтрального сечения в очаге деформации.

6.2. Усовершенствование режима холодной прокатки на 5-и клетевом стане «1700» с целью экономии энергии и улучшения чистоты поверхности прокатываемых полос.

6.3 Моделирование и усовершенствование режимов прокатки на

4-х клетевом стане «1700» Мариупольского металлургического комбината (ММК) им.Ильича.

Выводы по главе 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов моделирования энергосиловых параметров станов холодной прокатки для повышения эффективности производства тонких полос»

Актуальность работы:

Повышение требований к точности размеров и формы холоднокатаных листов, их механическим свойствам и качеству поверхности - характерные тенденции современного листопрокатного производства, стимулирующие технический прогресс технологии и оборудования станов холодной прокатки.

Для улучшения технологии и совершенствования конструкции оборудования необходимо иметь математические модели процесса холодной прокатки, достоверно отображающие сложные взаимосвязи между характеристиками пластичности полос, технологическими, энергосиловыми и конструктивными параметрами стана.

Актуальность моделирования и исследования энергосиловых параметров процесса холодной прокатки определяется тем, что от достоверности их расчета, от уменьшения погрешностей между расчетными и фактическими усилиями прокатки и мощностями двигателей стана зависят качество холоднокатаных листов и расход электроэнергии при их производстве.

В работах [1,2,3] показано, что обеспечить высокую точность расчета энергосиловых параметров процесса холодной прокатки возможно только в том случае, если учитывается напряженное состояние полосы в упругих участках очага деформации, доля которых от общей его длины при прокатке тонких полос может достигать 40-70%. Кроме того, в этих работах установлено, что от соотношения протяженностей зон отставания и опережения в очагах деформации рабочих клетей, характеризуемого положением нейтральных сечений, зависят чистота поверхности полосы, расход энергии и коэффициент опережения, поэтому точное определение толщины полосы в нейтральном сечении снижает погрешность энергосилового расчета, дает возможность точнее настроить скоростной режим непрерывного стана.

Установлено также, что при холодной прокатке зона отставания значительно длиннее зоны опережения. Более того, реально существуют такие очаги деформации, всю длину которых занимает зона отставания, а зона опережения и нейтральное сечение отсутствуют.

В работах [2,3] для вариантов этих двух типов очага деформации (с одним нейтральным сечением и без нейтральных сечений) приведены методики расчета энергосиловых параметров, основанные на следующем принципе: сначала вычисляют для каждого участка отдельно средние значения нормальных контактных напряжений pj и удельных работ прокатки üj (при наличии нейтрального сечения: р\, р2, рз, Ра и а2, аз, аА, при отсутствии нейтрального сечения: р\, р2.з, Р\ и а\, а2.3, <я4), а затем, суммируя их, вычисляют для очага в целом среднее нормальное контактное напряжение рср, удельную работу прокатки <япр, усилие Р и мощность прокатки Nnр. Средняя погрешность расчета усилий и мощности по методике [2,3] составляет 5-6%, а максимальная не превышает 10-15%, что значительно точнее, чем по известным методикам [4,5,20-27], не учитывающим напряженного состояния металла в упругих участках очага деформации.

Опыт энергосиловых расчетов станов холодной прокатки показал, что существует и третий вариант структурной схемы очага деформации, когда, наряду с нейтральным сечением, расположенным на пластическом участке, появляется еще одно нейтральное сечение на втором упругом участке.

Указанный вариант очага деформации упоминался некоторыми учеными [26], однако, методы расчета в нем энергосиловых параметров не публиковались.

Один из параметров, оказывающих значительное влияние на точность результатов энергосилового расчета - длина упругого участка очага деформации на выходе полосы из валков. Для ее вычисления принято использовать формулу Герца, которая в теории упругости применяется для расчета полуширины площадки упругого контакта неподвижного цилиндра и полупространства, ограниченного плоской поверхностью. Физические условия контакта валков с полосой имеют существенные отличия от условий контакта цилиндра с плоскостью: полоса по своим упругим свойствам не адекватна упругому полупространству: ее жесткость зависит от предшествующего наклепа и толщины, при вращении валка имеет место трение скольжения в контакте с полосой, причем величина коэффициента трения оказывает влияние на длину упругого контакта. В классической теории упругости отсутствуют формулы, альтернативные формуле .Герца, с помощью которых можно было бы рассчитать длину указанного упругого участка с учетом реальных особенностей контакта полосы и валков.

Устранение указанных выше пробелов в теории холодной прокатки является актуальной научной задачей, решение которой будет способствовать совершенствованию технологического процесса производства холоднокатаных полос и листов, экономии энергии и улучшению качества продукции.

Задачи работы:

Задачами работы являлись:

1. Разработка достоверной методики расчета энергосиловых параметров процесса холодной прокатки, пригодной для любых типов очагов деформации, имеющих одно, два нейтральных сечения или состоящих целиком из зоны отставания.

2. Уточнение методики расчета длины упругих участков очага деформации, путем учета факторов, не используемых в формуле Герца -наклепа, толщины полосы и коэффициента трения в очаге деформации.

3. Использование теоретических разработок для совершенствования технологических процессов холодной прокатки с целью повышения качества готовой продукции и эффективности работы оборудования.

Методы исследования

В работе использовались следующие методы исследования:

- моделирование с использованием компьютерных технологий энергосиловых параметров непрерывного стана холодной прокатки; экспериментальные исследования энергосиловых параметров действующих станов с использованием баз данных АСУТП;

- применение методов математической статистики для установления таких взаимосвязей между параметрами, которые не представлялось возможности найти чисто аналитическими методами.

Научная новизна:

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. С использованием упруго-пластической модели очага деформации выявлены режимы холодной прокатки полос на непрерывных станах, при осуществлении которых, наряду с очагами деформации, имеющими одно нейтральное сечение, или не имеющими нейтральных сечений, имеют место очаги деформации с двумя нейтральными сечениями, причем дополнительное нейтральное сечение и вторая зона отставания возникают на участке упругого восстановления части толщины полосы, выходящей из валков

2. Впервые разработана достоверная методика идентификации типа очага деформации, позволяющая в процессе энергосилового расчета стана определить, сколько нейтральных сечений имеет очаг деформации каждой рабочей клети.

3. Впервые для очага деформации, имеющего два нейтральных сечения, разработана методика энергосилового расчета, с помощью которой можно достоверно определить все структурные составляющие такого очага, коэффициент опережения, толщину полосы в нейтральных сечениях, контактные напряжения, усилие прокатки, удельную работу и мощность прокатки, мощность и момент двигателей главного привода рабочих клетей.

4. Разработана усовершенствованная методика расчета длины упругого участка очага деформации, учитывающая факторы, отличающие движущуюся полосу от упругого полупространства: толщину и наклеп полосы, коэффициент трения между вращающимся валком и полосой, износ исходной шероховатости бочки валков, изменяющий коэффициент трения. Ее применение позволило снизить на 35-40% погрешности вычисления усилий прокатки и уточнить ряд закономерностей напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации.

Практическая ценность и использование результатов работы:

1. Применение разработанной усовершенствованной методики энергосилового расчета существенно уменьшило расхождения между измеренными и рассчитанными усилиями прокатки, мощностями и моментами двигателей главного привода станов холодной прокатки, создав условия для более точной их настройки и оптимизации технологических режимов.

2. С использованием новых научных результатов рассчитаны и успешно испытаны на многоклетевых непрерывных станах усовершенствованные режимы прокатки, позволяющие улучшить качество поверхности полос, уменьшить расход энергии и сократить количество порывов полос во время прокатки.

3. Результаты исследования могут быть использованы при разработке новых и модернизации действующих рабочих клетей прокатных станов, а также в качестве технологической основы их АСУТП.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 45 наименований и 6 приложений. Объем диссертации 112 страниц машинописного текста, 13 рисунков, 28 таблиц, в том числе в приложениях 15 страниц текста и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Шалаевский, Дмитрий Леонидович

Общие выводы по диссертации:

1. Анализ известных математических моделей энергосиловых параметров станов холодной прокатки показал, что они применимы лишь для двух типов структуры очагов деформации - имеющих одно нейтральное сечение, или не имеющих нейтральных сечений. Для обнаруженного в нашей работе третьего типа очага деформации - с двумя нейтральными сечениями -математические модели энергосиловых параметров отсутствовали.

2. Анализ известных методов расчета длины упругих участков очага деформации в рабочих клетях станов холодной прокатки показал, что большинство из них используют формулу Герца, полученную в теории упругости для расчета полуширины площадки контакта неподвижного цилиндра с упругим полупространством, ограниченным плоскостью. Формула Герца не учитывает толщины полосы, ее наклепа и трения между полосой и валками, что вызывает значительные погрешности при расчете усилий и мощности прокатки.

3. Для восполнения указанных в п.п.1,2 недостатков методики энергосилового расчета процесса холодной прокатки разработаны усовершенствованные модели взаимосвязанных энергосиловых, технологических и конструктивных параметров многоклетевого стана холодной прокатки.

4. Впервые определены критерии, позволяющие идентифицировать структурный тип очага деформации при холодной прокатке, разработан алгоритм идентификации. Для очагов деформации с двумя нейтральными сечениями на основе упруго-пластической модели напряженного состояния полосы разработана новая математическая модель контактных напряжений и усилия прокатки.

5. Разработана усовершенствованная методика расчета длины упругого участка очага деформации, учитывающая наклеп полосы, ее толщину и коэффициент трения между полосой и валками.

6. Получены достоверные аналитические выражения для расчета удельной работы и мощности прокатки, момента и мощности двигателей рабочих клетей для очага деформации, имеющего два нейтральных сечения. Показано, что появление второго нейтрального сечения и дополнительной зоны отставания на втором упругом участке очага деформации увеличивает расход энергии в рабочей клети, но способствует лучшей очистке полосы от поверхностных загрязнений.

7. С целью повышения точности расчета мощности двигателей стана уточнены затраты энергии на трения качения между рабочим и опорным валками, в том числе - для рабочих клетей с двумя нейтральными сечениями.

8. С использованием разработанных моделей исследованы некоторые закономерности изменений энергосиловых параметров непрерывных станов, при этом установлено, что отдельные положения теории холодной прокатки, например, зависимости усилий и мощности от коэффициента трения, должны быть уточнены или скорректированы.

9. Разработанные модели применены для совершенствования технологических процессов действующих станов. Разработаны, испытаны и частично внедрены в производство усовершенствованные режимы холодной прокатки, повышающие чистоту поверхности полос, снижающие их обрывность и позволяющие экономить от 4% до 17% энергии на 1т. проката.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шалаевский, Дмитрий Леонидович, 2008 год

1. Э.А. Гарбер, Р.Н. Ганичев, И.А. Кожевникова, В.А. Иводитов, А.И.Трайно Развитие методов моделирования скоростного режима непрерывных широкополосных станов.//Металлы, №3, 2005, с.43-50.

2. Гарбер Э. А., Шадрунова И. А. Энергосиловые параметры процесса холодной прокатки стальных полос толщиной менее 0,5 мм // Производство проката, №3, 2002, с 13-18.

3. Гарбер Э.А. Станы холодной прокатки (теория, оборудование, технология). М.: ОАО«Черметинформация» Череповец: ЧТУ, 2004. 416 с.

4. Коновалов Ю.В., Остапенко А.Л., Пономарев В.И. Расчет параметров листовой прокатки. Справочник. М.: Металлургия, 1986. - 430с.

5. Королев A.A. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1985. - 376 с.

6. Третьяков A.B., Гарбер Э.А., Давлетбаев Г.Г. Расчет и исследование прокатных валков. -М.: Металлургия, 1976. -256 с.

7. Динник A.A. Определение длины дуги контакта с учетом упругого сжатия валков и прокатываемой полосы// Обработка металлов давлением: Сб. науч. тр. ДМетИ. М.: Металлургия, 1962. - Вып. 52. - С. 221-231.

8. Чепуркин С.С. Определение длины дуги захвата// Теория прокатки: Материалы конференции по теоретическим вопросам прокатки/ МЧМ СССР.- М.: Металлургиздат, 1962. С. 322-329.

9. Динник A.A. Определение длины дуги контакта при прокатке листов и полос на гладких валках// Металлургия и коксохимия: Сб. науч. тр. ДМетИ.- Киев: Техника, 1970. Вып. 23. - С. 56-59.

10. Полухин П.И., Железнов Ю.Д., Полухин В.П. Тонколистовая прокатка и служба валков. — М.: Металлургия, 1967. 388 с.

11. Шевченко К.Н. Основы математических методов в теории обработки металлов давлением. М.: Высшая школа, 1970. - 351 с.

12. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.

13. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости. М.: Наука, 1975.575 с.

14. Грудев А.П., Сигалов Ю.Б. Исследование и определение предела текучести стали с учетом температурно-скоростных условий при холодной прокатке// Обработка металлов давлением: Сб. науч. тр. ДМетИ. М.: Металлургия, 1971. - № 52. - С. 47-56.

15. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. 2-е изд., перераб. и доп.: Справочник. -М.: Металлур- гия, 1983.-352с.

16. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации. — М.: Машиностроение, 1980. 157 с.

17. Белосевич В.К., Нетесов Н.П. Совершенствование процесса холодной прокатки. М.: Металлургия, 1971. - 272 с.

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

19. Крейндлин H.H. Расчет обжатий при прокатке цветных металлов. -М.: Металлургиздат, 1963. 407 с.

20. Целиков А.И., Гришков А.И. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1970.-356 с.

21. Чепуркин С.С. Закон Буссинеска и задача Герца при определении" длины сплющенной дуги захвата// Изв. Вузов: Черная металлургия. 1960. -№ 7. - С. 89-98.

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

23. Определение сплющенной длины дуги захвата при листовой прокатке/ П.И. Полухин, В.А. Николаев, В.П. Полухин и др.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1964. - № 7. - С. 125-131.

24. Белосевич В.К., Нетесов Н.П. Совершенствование процесса холодной прокатки.-М.:Металлургия, 1971.-272с.

25. Теория прокатки. Справочник/ А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин и др. М.: Металлургия, 1982. - 335 с.

26. Роберте В. Холодная прокатка стали: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1988. - 544 с.

27. Хензель А., Шпиттель Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением: Справ, изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. - 360 с.

28. Совершенствование теплового процесса холодной прокатки/ A.B. Третьяков, Э.А. Гарбер, А.Н. Шичков и др. М.: Металлургия, 1973. - 368 с.

29. Василев Я.Д. Инженерные модели и алгоритмы расчета параметров холодной прокатки. М.: Металлургия, 1995- 368 с.

30. Павлов И.М. Теория прокатки: Общие основы обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1950. - 610 с.

31. Выдрин В.Н. Новые разработки энергетической теории прокатки// В Сб. «Теоретические проблемы прокатного производства». Тезисы доклада IV Всесоюзного научно-технического конгресса, Днепропетровск, 21-25 ноября 1988г., Днепропетровск, 1988. С. 41-45.

32. Гарбер Э.А., Шалаевский Д.Л., Кожевникова И.А., Трайно А.И. Моделирование напряженного состояния полосы при холодной прокатке в очаге деформации с двумя нейтральными сечениями // Металлы. 2007. №4, с. 41-53.

33. Гарбер Э.А., Шалаевский Д.Л., Кожевникова И.А. Моделирование контактных напряжений и скоростного режима полосы при холодной прокатке в очаге деформации с двумя нейтральными сечениями.// Производство проката.2007, №8 с.2-11

34. E.A.Garber, D.L.Shalaevskii, I.A.Kozhevnikova and A.I. Traino. Simulation of the state of stress in a strip in a deformation zone with two neutral sections during cold rolling. Russian Metallurgy, 2007, №4, Pleiades Publishing Ltd, p.293-303

35. Гарбер Э.А., Шалаевский Д.Л., Кожевникова И.А., Кузнецов В.В. Совершенствование силового расчета процесса холодной прокатки на основе нового метода учета упругого сплющивания в очаге деформации // Производство проката. 2008, №5, с. 13-18.

36. Гарбер Э.А., Шалаевский Д.Л., Кожевникова И.А., Трайно А.И. К вопросу о применимости законов упругости для определения длины участка очага деформации при холодной прокатке.// Металлы.2008, №3, с.27-32.

37. Гарбер Э.А., Шалаевский Д.Л., Кожевникова И.А., Трайно А.И. Методика и алгоритмы энергосилового расчета процесса холодной прокатки с учетом количества нейтральных сечений в очаге деформации.// Металлы.2008, №4

38. Гарбер Э.А., Самарин С.Н., Трайно А.И., Ермилов В.В. Моделирование трения качения в рабочих клетях широкополосных станов// Металлы. 2007, №2, с.36-43.

39. Гарбер Э.А., Никитин Д.И. Расчет мощности процесса холодной прокатки на основе упругопластической модели очага деформации // Производство проката. 2003, №5, с. 12-17.

40. Гарбер Э.А. Производство проката: справочное издание. Том 1. Книга 1. Производство холоднокатаных полос и листов (сортамент, теория, технология, оборудование) -М.: Теплотехник, 2007. 368с.

41. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А., Кузнецов В.В., Никитин Д.И. Улучшение качества поверхности холоднокатаных полос путем воздействия на положения нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей// Производство проката. -2003. -№ 2.-с. 16-19.