автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование контактных напряжений при холодной прокатке тонких полос на основе упругопластической модели очага деформации для совершенствования процессов и оборудования листовых станов

Введение.

Глава 1. Актуальность разработки уточненного расчета контактных напряжений и усилий, действующих на валки станов холодной прокатки.

1.1. Проблема повышения точности расчета усилий холодной прокатки на широкополосных станах.

1.2. Анализ существующих математических моделей контактного взаимодействия валков и полосы на станах холодной прокатки.

1.2.1. Модели длины дуги контакта валков с полосой.

1.2.2. Модели сопротивления деформации.

1.2.3. Модели коэффициента трения.

1.2.4. Модели усилия прокатки и среднего контактного напряжения.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка методики расчета контактных напряжений и усилий холодной прокатки на широкополосных станах на основе новой упруго-пластической модели очага деформации.

2.1. Обоснование модели очага деформации.

2.2. Определение сопротивления деформации.

2.3. Новая методика расчета нормальных контактных напряжений.

2.4. Определение средних значений нормальных контактных напряжений и усилия прокатки с учетом упругих зон очага деформации

Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование достоверности новой методики расчета контактных напряжений и усилий холодной прокатки.

3.1. Промышленная апробация на непрерывных станах разработанной методики расчета контактных напряжений и усилий холодной прокатки

3.2. Оценка точности новой методики расчета контактных напряжений и усилий холодной прокатки.

3.3. Сопоставительный анализ точности новой методики и наиболее распространенной из существующих методик расчета усилий холодной прокатки.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование с использованием ЭВМ влияния основных параметров стана и процесса холодной прокатки на контактные напряжения и структуру очага деформации.

4.1. Влияние диаметра рабочих валков.

4.2. Влияние основных факторов режима прокатки: коэффициента трения, межклетевых натяжений и относительного обжатия.

4.2.1. Влияние коэффициента трения.

4.2.2. Влияние относительного обжатия.

4.2.3. Влияние межклетевых натяжений.

4.2.4. Обобщенный анализ результатов исследований.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Применение методики расчета контактных напряжений и усилий прокатки для совершенствования оборудования и технологии листовых станов.

5.1. Влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации на качество холоднокатаных полос.

5.2. Разработка и промышленная апробация нового способа холодной прокатки на непрерывном стане с оптимизацией режимных параметров по положению нейтрального сечения.

5.3. Использование упруго-пластической модели очага деформации для разработки экономичной рабочей клети стана холодной прокатки.

Выводы по главе 5.

Актуальность работы.

Освоение производства все более тонких холоднокатаных полос при одновременном ужесточении требований к их качеству - характерная тенденция современного листопрокатного производства.

До 90-х г.г. XX в. минимальная освоенная толщина полос из конструкционных сталей на станах холодной прокатки с длиной бочки валков 1400-1700 мм составляла 0,4-0,5 мм, в настоящее время существенную долю в сортаменте этих станов занимают полосы толщиной 0,25-0,36 мм.

Особенность процесса холодной прокатки таких полос состоит в том, что в последнем пропуске (последней клети непрерывного стана) из-за большого наклепа полосы обжатие снижается до 4-6 %, при этом упругие деформации прокатываемой полосы оказывают существенное влияние на характер протекания процесса прокатки и на значения характеризующих его параметров. В связи с этим алгоритмы управления процессами холодной прокатки должны одновременно учитывать упруго-пластические деформации прокатываемой полосы и упругую деформацию валков, т.е. в их основе должна лежать упруго-пластическая модель очага деформации. Большинство же алгоритмов управления основано на пластической модели, что искажает физическую сущность деформации полосы валками и не позволяет с достаточной точностью определять и прогнозировать силовые и кинематические параметры процесса холодной прокатки.

Одним из нормируемых показателей качества полос и листов является чистота поверхности, измеряемая количеством загрязнений на единицу площади. Высокий уровень загрязнений вызывает повышенную отсортировку готовой продукции, особенно той ее части, которая должна выпускаться по требованиям группы «В» (повышенное качество).

В настоящее время воздействие на чистоту поверхности готовых холоднокатаных полос осуществляют путем предварительного обеспечения надлежащей чистоты поверхности подката и валков. Способы управляемого технологического воздействия на чистоту поверхности готовой полосы в процессе ее прокатки путем регулирования параметров процесса прокатки отсутствуют.

Детальное рассмотрение структуры очага деформации позволяет сделать предположение о влиянии на чистоту поверхности холоднокатаной полосы положения нейтрального сечения в очаге деформации каждой рабочей клети.

Однако исследование этого вопроса с помощью известных методик расчета энергосиловых параметров [1-8] невозможно, так как они основаны на пластической модели очага деформации, не учитывающей изменение контактных напряжений в его упругих участках, и дают значительные (до 50 %) погрешности расчетных усилий прокатки относительно измеренных.

Поэтому разработка новой методики расчета контактных напряжений и усилий прокатки, основанной на упруго-пластической модели очага деформации, с целью внедрения ее в инженерную и технологическую практику представляется весьма актуальной и целесообразной. Задачи работы.

Задачами диссертационной работы являлись:

• разработка методики расчета контактных напряжений и усилий холодной прокатки на широкополосном стане на основе упруго-пластической модели очага деформации;

• промышленная апробация на действующих станах разработанной методики с целью оценки ее точности и достоверности;

• исследование влияния основных параметров стана и процесса прокатки на контактные напряжения и структуру очага деформации;

• исследование влияния положения нейтрального сечения в очаге деформации на качество холоднокатаных листов;

• разработка и промышленная апробация способа холодной прокатки на непрерывном стане, повышающего чистоту поверхности полос посредством корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения;

• использование новых методов расчета силовых параметров процесса прокатки для анализа эффективности уменьшения диаметра бочки рабочих валков.

Все исследования и разработки по теме диссертации проводились по трем основным направлениям.

1. Теоретические исследования:

• разработка методики расчета контактных напряжений и усилий прокатки на широкополосном стане на основе упруго-пластической модели очага деформации;

• оценка достоверности разработанной методики на основе статистической обработки результатов сопоставления данных измерений и расчетов усилий прокатки;

• исследование с использованием ЭВМ влияния основных параметров стана и процесса прокатки на контактные напряжения и структуру очага деформации;

• выявление влияния положения нейтрального сечения в очаге деформации на качество холоднокатаных полос;

• получение регрессионных зависимостей чистоты поверхности холоднокатаных полос от факторов технологического процесса непрерывного стана.

2. Работы по совершенствованию оборудования и технологических процессов:

• разработка способа холодной прокатки на непрерывном стане, улучшающего чистоту поверхности полос посредством корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения;

• обоснование необходимости использования на непрерывных станах холодной прокатки рабочих клетей с уменьшенным в 2-3 раза диаметром бочки рабочих валков по сравнению с существующими клетями.

3. Экспериментальные исследования:

• проведение промышленных исследований на действующих 4-х и 5-ти клетевых станах «1700» с целью получения экспериментальных данных о фактических режимах прокатки;

• проверка на промышленных станах эффективности способа холодной прокатки, обеспечивающего надлежащую чистоту поверхности полос посредством корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения.

Научная новизна заключается в следующем.

1. Разработана новая методика расчета силовых параметров стана холодной прокатки, включающая определение сопротивления металла деформации, контактных напряжений и усилий прокатки, основанная на упруго-пластической модели очага деформации, обладающая погрешностью в 3-5 раз меньшей, чем известные методики.

2. Установлено, что при определенных режимах прокатки пластический участок очага деформации полосы между рабочими валками может представлять собой целиком зону отставания, на этом участке отсутствуют нейтральное сечение и зона опережения.

3. Впервые установлена зависимость чистоты поверхности холоднокатаных полос от положений нейтральных сечений в очагах деформаций рабочих клетей непрерывного стана.

Практическая ценность.

1. Предложен процесс холодной прокатки на непрерывном стане, обеспечивающий повышение чистоты поверхности полос посредством корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения полосы между рабочими валками.

2. Сформулированы рекомендации об эффективных величинах диаметра рабочих валков для реконструкции действующих и конструирования новых станов.

Аннотация диссертационной работы по главам.

В первой главе рассмотрена актуальность проблемы повышения точности расчета усилий, действующих на валки станов холодной прокатки при производстве тонких широких стальных полос. Проведен анализ существующих математических моделей контактного взаимодействия валков и полосы на станах холодной прокатки. Сделано заключение о невозможности их использования в конструкторской и технологической практике из-за ряда недостатков.

Вторая глава содержит обоснование упруго-пластической модели очага деформации на стане холодной прокатки; определение реального характера изменения сопротивления металла пластической деформации по длине дуги контакта и получение соответствующих формул. Рассмотрены основные положения вывода новой методики расчета контактных напряжений и их средних значений как при традиционной структуре очага деформации, так и в случае отсутствия нейтрального сечения.

В третьей главе представлены алгоритм и блок-схема расчета контактных напряжений и усилий прокатки по новой методике, на основе которых выполнена программная реализация методики. Представлены данные о фактических режимах прокатки различных марко- и профилесортаментов на станах холодной прокатки «1700» ОАО «Северсталь» и соответствующих им расчетных значений контактных напряжений и усилий прокатки.

Представлены результаты статистической оценки точности новой методики, кроме того, выполнена сопоставительная оценка точности расчета усилий прокатки по новой и известным методикам.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния уменьшения диаметра рабочих валков на силовые и структурные характеристики очага деформации.

Выявлен характер влияния коэффициента трения, относительного обжатия, межклетевых натяжений на структуру очага деформации и параметр Xh характеризующий положение нейтрального сечения.

В пятой главе сформулирована и обоснована гипотеза о влиянии на чистоту поверхности холоднокатаной полосы положения нейтрального сечения очага деформации в каждой рабочей клети.

Представлен способ холодной прокатки на непрерывном стане, обеспечивающий повышение чистоты поверхности полос посредством корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения.

Произведено обоснование целесообразности использования на непрерывных станах холодной прокатки рабочих клетей с диаметром рабочих валков 200 мм, вместо 500-600 мм.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «ИНФОТЕХ-2001» (г. Череповец) в декабре 2001 г.; на научно-технической конференции «Современные сложные системы управления «СССУ' 2002» (г. Липецк) в марте 2002 г. и на научно-технической конференции «Северсталь» - пути к совершенствованию» (г. Череповец) в июне 2002 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей, подготовлена одна заявка на изобретение.

Работа выполнялась в Череповецком государственном университете в период с 2000 г. по 2002 г.

Экспериментальные исследования проводились на ОАО «Северсталь».

1. Актуальность разработки уточненного расчета контактных напряжений и усилий, действующих на валки станов холодной прокатки

Выводы по главе 5

1. Выдвинута и подтверждена результатами регрессионного анализа и промышленных испытаний гипотеза о влиянии на чистоту поверхности холоднокатаной полосы положения нейтрального сечения очага деформации в каждой рабочей клети: чем ближе значение комплексного критерия Xt к 1, тем чище полоса, так как тем большую часть очага деформации занимает зона отставания.

2. Разработан в виде заявки на патент Российской Федерации способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане, обеспечивающий повышение чистоты поверхности тонких холоднокатаных полос посредством оперативной корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения полосы между рабочими валками. Способ экспериментально проверен в промышленных условиях и внедряется в производство.

3. Выполнен сопоставительный анализ рабочих клетей традиционной конструкции (диаметр рабочих валков £>р=400-600 мм, диаметр опорных валков £>on=1300-1500 мм, главный привод - через рабочие валки) и клетей нового типа (Dp=200-300 мм, Д,П=Т400-1500 мм, главный привод - через опорные валки). Установлено, что использование на непрерывных станах холодной прокатки рабочих клетей с диаметром рабочих валков 200 мм, вместо 500-600 мм, обеспечит уменьшение капитальных затрат в среднем на 30 %, и существенную (до 15 %) экономию электроэнергии. При этом за счет улучшения структуры очагов деформаций повысится качество поверхности холоднокатаных полос.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методами математического моделирования и промышленных экспериментов проведены исследования контактных напряжений и усилий холодной прокатки тонких полос с целью совершенствования технологических режимов на непрерывных станах по критерию обеспечения улучшенной чистоты поверхности полосы и разработки экономичной клети стана холодной прокатки.

Результаты проведенной работы заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ существующих моделей очага деформации полосы между рабочими валками, методов расчета контактных напряжений и усилий на станах холодной прокатки, сделано заключение о невозможности их использования в конструкторской и технологической практике современного листопрокатного производства из-за отсутствия учета влияния на контактные напряжения упругих участков очага деформации.

2. Предложена упруго-пластическая модель очага деформации полосы в рабочих валках, на основе которой разработана новая методика расчета сопротивления деформации прокатываемых полос, контактных напряжений и усилий холодной прокатки.

3. Выполнена промышленная апробация новой методики с целью оценки ее достоверности. Для этого созданы компьютерные базы данных, содержащие информацию о более чем 150 фактических режимах прокатки на непрерывных станах. С использованием статистических методов доказано, что новая методика обеспечивает расчет усилий прокатки со средней погрешностью 5,7 %, максимальной погрешностью 12,74 %, что в 3-5 раз меньше известных наиболее распространенных методик.

4. С использованием разработанной методики выполнено исследование влияния основных параметров стана и процесса прокатки на контактные напряжения и структуру очага деформации.

В качестве характеристики очага деформации предложена величина х Хщ.отст , определяющая положение нейтрального сечения в очаге деформации.

Хпл

Выявлен характер влияния основных режимных параметров прокатки на эту величину, установлены параметры, обеспечивающие наиболее эффективное воздействие на структуру очага деформации и на качество поверхности прокатываемых полос.

5. Сформулирована и экспериментально подтверждена гипотеза о влиянии на чистоту поверхности холоднокатаной полосы положения нейтрального сечения, характеризуемого величиной Xt. На основе этой гипотезы разработан в виде заявки на изобретение и внедряется в производство способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетевом стане, обеспечивающий повышение чистоты поверхности полос посредством оперативной корректировки режимных параметров по положению нейтрального сечения.

6. Обоснована необходимость использования на непрерывных станах холодной прокатки рабочих клетей с диаметром бочки рабочих валков 200 мм, вместо 500-600 мм, так как это обеспечит уменьшение капитальных затрат, существенную экономию электроэнергии и высокое качество проката.

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

2. Коновалов Ю.В., Остапенко A.JI., Пономарев В.И. Расчет параметров листовой прокатки. Справочник. М.: Металлургия, 1986. - 430 с.

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

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

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

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

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

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

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

10. Динник А.А. 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.

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

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

13. Roberts W.L. Asimplified cold rolling model// Iron and Steel Eng. 1965. - V. 42.-№ 10.-P. 75-87.

14. Динник А.А. 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.

15. 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.

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

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

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

19. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости. М.: Наука, 1975. -575 с.

20. 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.

21. Ярита И., Накагава К. Сопротивление деформации и коэффициент трения при холодной прокатке малоуглеродистой стали// Дзюнкацу. 1974. - Т. 19. -№ 11. С. 45-54.

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

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

24. Василев Я.Д., Шувяков В.Г. Исследование влияния температуры на предел текучести меди и латуни при холодной прокатке// Изв. АН СССР. Металлы. 1986. - № 4. - С. 66-70.

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

26. Василев Я.Д., Шувяков В.Г., Дементиенко А.В. Влияние скоростных условий холодной деформации на предел текучести малоуглеродистой стали// Изв. вузов. Черная металлургия. 1987. - № 3. - С. 15.

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/ А.В. Третьяков, Э.А. Гарбер, А.Н. Шичков и др. М.: Металлургия, 1973. - 368 с.

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

30. Гарбер Э.А., Гончарский А.А., Петров С.В., Кузнецов В.В. Определение коэффициента трения при холодной прокатке с эмульсиями// Производство проката. 2000. - № 12. - С.2-3.

31. Ston M.D. Rolling of Jnin Strip. Part II.// Iron and Steel Eng. 1956. - V. 33. -№ 12.-P. 55-76.

32. Луговской B.M. Алгоритмы систем автоматизации листовых станов. М.: Металлургия, 1974. - 320 с.

33. Баврин И.И. Высшая математика. М.: Просвещение, 1980. - 384 с.

34. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А., Трайно А.И. Определение энергосиловых параметров холодной прокатки тончайших полос// Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2002. - № 2. - С. 47-49.

35. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А. Новая модель очага деформации при холодной прокатке тонких широких полос// Материалы международнойнаучно-технической конференции «Современные сложные системы управления». Липецк, 2002 - С. 137-140.

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

37. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А., Трайно А.И., Юсупов B.C. Анализ очага деформации и уточненный расчет усилий холодной прокатки полос толщиной менее 0,5 мм на непрерывных станах// Металлы. 2002. - № 4. -С. 32-38.

38. Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр./ Под ред. Г.С. Гуна. Магнитогорск: МГТУ, 2002. - 233 с.

39. Garber Е.А., Shadrunova I.A., Traino A.I., Yusupov V.S. Analysis of a Deformation Zone and the Refined Calculation of the Forces for Cold Rolling of Strips Thinner than 0.5 mm in a Continuous Mill// Russian Metallurgy. Vol. 2002.-No. 4.-P. 340-345.

40. Ефимова M.P., Петрова E.B., Румянцев B.H. Общая теория статистики: Учебник. М.: ИНФРА-М, 1998. - 416 с.

41. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А., Никитин Д.И., Дилигенский Е.В., Тимофеева М.А. Совершенствование технологических режимов холодной прокатки на основе новой модели очага деформации// Вестник ЧГУ. -2002.-№ 1.-С. 47-57.

42. Bald W., Beiseman G., Feldmann H. Continuously Variable Crown Rolling// Iron and Steel Engineer. 1987. - № 3. - P. 32-41.

43. Гарбер Э.А. Расчет энергосиловых параметров широкополосных станов холодной прокатки // Сталь. 1998. -№ 8. - С.37-41.