автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Анализ и совершенствование схем калибровки равнополочной угловой стали на основе матричных моделей формоизменения

съ Л-

I '

^ На правах рукописи

«Л/ \

Зайцев Алексей Александрович

АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ КАЛИБРОВКИ РАВНОПОЛОЧНОЙ УГЛОВОЙ СТАЛИ НА ОСНОВЕ МАТРИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ

Специальность 05Л6.05 "Обработка металлов давлением"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск -1997

Работа выполнена в Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им. Г.И.Носова.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Тулупов О.Н.

доктор технических наук, профессор Шилов В. А.

кандидат технических наук Ахметзянов Ф.М.

Ведущее предприятие: АО "Белорецкий металлургический

комбинат" (г. Белорецк).

Защита состоится X/) 1997 г. в на заседании

диссертационного совета Д 063.04.0] в Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им. Г.И.Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр.Ленина, 38, МГМА, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им. Г.И.Носова.

Автореферат разослан

хТ 1997 года

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук

Селиванов В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современной тенденцией развития отечественного сортопрокатного производства является увеличение доли выпускаемой угловой стали, широко применяемой для изготовления элементов различных конструкций. Так, по данным ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», в 1994 г. удельный вес угловой стали в общем объеме производства сортовых и фасонных профилей ОАО «ММК» составлял 25..40 %, за 9 месяцев 1997 г. он составил в среднем 72,5 %. Поэтому совершенствование технологии прокатки угловой стали является приоритетным направлением повышения эффективности производства сортового проката.

Одним из факторов, влияющих на качество готовой продукции и экономические показатели работы сортовых станов, является калибровка прокатных валков, определяющая, не только потребительские свойства готовых изделий, то и путь формоизменения, стойкость отдельных калибров и их элементов, а шачит, и затраты материальных ресурсов на получение профиля. Задача расчета, выбора и совершенствования калибровки многоэкстремальна и может быть эешена в процессе поиска и сравнения большого числа возможных вариантов калибровок.

По существующей производственной практике, выбор окончательного варианта при совершенствовании схемы калибровки, доработки элементов калиб-юв, сопряжен с вынужденными материальными затратами на опытные прокат-си. Решить задачу совершенствования калибровки, не прибегая к дорогостоя-цим промышленным испытаниям, можно на базе автоматизированных систем сомштексного экспресс-анализа эффективности работы калибровки и моделей >тклика, прогнозирующих стабильность формоизменения в схеме калибровки ю ходу прокатки при варьировании технологических факторов. Такие системы юлжны быть основаны на простых, универсальных моделях процесса прокатки, ;оторые можно адаптировать к условиям конкретного сортового стана.

Таким образом, проблема разработки простых, достаточно точных моде-:ей формоизменения в калибрах различной сложности, быстродействующих ал-оритмов, ориентированных на задачи анализа и совершенствования калибров-:и валков сортовых станов в условиях калибровочного бюро, является актуаль-ой.

Цель работы. Разработка математических моделей, методик и програм! для оперативного анализа и совершенствования схем калибровки равнополоч ной угловой стали.

Научная новизна. Предложен структурно-матричный подход, позволяю тин описать технологические параметры процесса прокатки единым матрич ным уравнением.

Разработаны принципы матричного описания сортовых профилей различ ной сложности и процесса формоизменения на стане с калибрами различно] сложности.

Аналитически и практически доказана связь между матричными крите риями технологичности и величиной работы формоизменения.

Разработана адаптивная матричная модель комплексного анализа калиб ровки угловой стали.

Предложен вариант калибровки, стабилизирующий точность геометриче ских размеров профиля при прокатке в открытых угловых калибрах непрерыв ного сортового стана «300-2» УМЗ.

Практическая ценность. Разработаны удобные для использования инже нерами-калибровщиками критерии технологичности формоизменения при про катке угловой стали.

Разработаны методики и математические модели для оперативного анали за и совершенствования калибровки угловой стали.

На основе разработанных математических моделей создан пакет приклад ных программ для ГВМ-совместимых компьютеров, позволяющий калибровщи кам вести анализ в калибровочном бюро и существенно убыстряющий прочес совершенствования схем калибровок.

Работоспособность методик и программ подтверждена их использование!» для анализа и совершенствования калибровок валков действующих станов.

Реализация работы. Разработанные математические модели, методики 1 программы использовались при анализе калибровок валков станов «300-1» «300-3» ОАО «ММК», при анализе и совершенствовании калибровки валко; стана «300-2» Узбекского металлургического завода.

Пакет прикладных программ «80ЯТ_РК», реализованный для персональ ных компьютеров стандарта ЮМ РС используется в калибровочном бюро ОАС «ММК», учебном процессе кафедры «Обработка металлов давлением» Магни тогорской горно-металлургической академии при подготовке дипломированны: специалистов.

Апробация работы. Основные положения работы изложены и обсуждены на Межгосударственных научно-технических конференциях: "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века", Магнитогорск, 14-17 мая 1996 г., "Теория и технология процессов атастической деформации-96", Москва, 8-10 октября 1996 г., на Международной научно-практической конференции "Новые ресурсосберегающие технологии и материалы", Челябинск, 11-14 июня 1996 г., на Международной научно-технической конференции "Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий", Волгоград, 18-19 сентября 1997 г., на ежегодном конкурсе программных продуктов МГМА "Компьютер-96", Магнитогорск, 15 апреля 1996.

Публикации. Результаты работы отражены в 12 публикациях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 148 с. машинописного текста, 31 рис., 16 табл., список литературы из 99 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе ввиду актуальности простых и надежных математических моделей прокатки в калибрах, позволяющих оперативно решать технологические задачи обеспечения точной и эффективной прокатки угловой стали в условиях любого сортопрокатного стана, был проведен обзор и анализ ряда известных моделей, описывающих формоизменение металла в калибрах сложной формы (в частности, в уголковых калибрах).

Математическому описанию деформации металла в калибрах посвящено значительное число работ, где приведены различные подходы к расчету, как самого формоизменения, так и параметров калибровки. Среди моделей формоизменения и способов описания калибров необходимо выделить следующие.

Аналитические методы. Обеспечивают достаточную точность описания профилей, высокую степень формализации для последующей обработки с применением ЭВМ. Однако, имеются и некоторые недостатки: определенная громоздкость описания, трудоемкость обработки информации, не универсальность описания нетрадиционных элементов контура калибра (при изменении отдельного элемента профиля изменяется некоторая функция, описывающая соответствующие участки профиля, а, следовательно, и функционал или система аналитических уравнений).

Инженерные методы (приведенной, соответственной и эквив&пентной полосы). Основаны на приведении любого фасонного сечения к прямоугольному сечению. Они достаточно просты для их практического использования, что обусловило их широкое распространение, дают возможность приблизительного расчета основных параметров формоизменения. Но ввиду того, что в этих методах не учитываются все особенности влияния элементов калибров, параметров технологического процесса на конечное формоизменения, они не могут обеспечить удовлетворительных результатов по управлению процессом формоизменения, как на стадии проектирования, так и реализации процесса прокатки.

Модели формоизменения, основанные на применении методов и аппарата механики сплошной среды (МСС). С использованием данных методов получены решения, как отдельных задач, так и комплекса проблем технологии прокатки в калибрах. Среди данных моделей заслуживают внимания модели течения металла в калибрах различной сложности, разработанные В.К.Смирновым и В.А.Шиловым (УПИ) (они основаны на применении вариационных принципов механики сплошной среды и статистически обработанных данных по параметрам прокатки большого количества профилеразмеров на различных сортовых станах) и полуаналитические модели с использованием метода конечных элементов (Е.Н.Чумаченко, МИСиС)

Указанные модели формоизменения хорошо зарекомендовали себя при проектировании и совершенствовании режимов прокатки на многих сортовых станах. Однако, использование данных подходов для математического моделирования, анализа и совершенствования калибровок с целью оперативного управления формоизменением, где необходимы быстродействие и ориентация на персональные ЭВМ, представляется затруднительным. Приведенные модели имеют преимущественно проектную направленность и не предназначены для оперативной оценки в производственных условиях стабильности геометрических размеров профиля при колебаниях технологических параметров и для прогноза влияния этих колебаний на эффективность и точность формоизменения.

Поэтому, признавая методы решения задач калибровки прокатных валков, основанные на применении принципов и аппарата МСС, стратегически важным направлением, для целого класса актуальных задач можно выделить ниши для простых компромиссных моделей, оперативно отражающих действительные возмущения технологических параметров, и быстродействующих алгоритмов для экспресс-анализа и совершенствования калибровки прокатных валков с калибрами различной сложности.

Из анализа работ, посвященных различным методам расчета калибровки угловой стали видно, что возникают определенные трудности при оценке эффективности различных калибровок, особенно при выборе предпочтительного варианта калибровки на стадий проектирования.

Анализ действующих схем калибровок угловой стали, а также различных методов расчета калибровок дается практически всеми ведущими разработчиками калибровок (Б.В.Мерекиньш, И.М.Кочетовым, КВ.Литовченко, В.А.Кур-дюмовой, В.Т.Жаданом и др.). Выводы, сделанные ими, показывают нерешенность задачи выбора наиболее предпочтительного метода расчета. Так, В.А.Курдюмова рекомендует методы Кочетова, Штернова, Чекмарева. И.М.Кочетов считает наиболее рациональными , кроме выше названных, методы Кучко, Мерекина, Литовченко. Выделяется группа методов, среди которых невозможно выбрать единственный. Их анализ не прогнозирует в полной мере эффективность работы калибровок на действующем стане при колебаниях технологических параметров прокатки, не учитывает влияние черновых и промежуточных клетей на особенности формоизменения в формирующих и чистовых клетях. Это объясняется отсутствием комплекса универсальных критериев оценки эффективности схемы калибровок угловой стали и единого подхода, на основании которого можно оценивать эффективность и оперативно управлять формоизменением за счет рациональной коррекции схемы калибровки при прокатке угловой стали.

Поэтому для решения оперативных технологических задач по управлению '" формоизменением и совершенствованию схем калибровок, перспективным представляется матричный подход, развивавшийся на кафедре ОМД МГМА различными учеными и сформировавшийся, как научное направление по решению комплекса задач сортовой прокатки при анализе эффективности калибровок валков и управлении формоизменением на сортовом стане для профилей простой формы.

Учитывая достоинства матричного подхода, можно говорить о полезности его дальнейшего развития с целью создания математических моделей для оперативного анализа и управления формоизменением за счет совершенствования схем калибровки при прокатке равнополочной угловой стали.

В связи с этим в работе поставлены следующие задачи: - разработка способов представления параметров калибровки сложных профилей, в том числе, угловой стали на основе развития матричного подхода к описанию формоизменения в простых калибрах;

й

- разработка системы матричных критериев оценки технологичности схем калибровки угловой стали, стабильности процесса прокатки и энергозатрат с единых позиций,

- оценка практической применимости разработанных критериев;

- разработка и практическое применение моделей и методик анализа и совершенствования параметров калибровки угловой ст&та с целью стабилизации формоизменения на непрерывном сортопрокатном стане.

Во второй главе с целью создания математического аппарата для решения технологических задач анализа и совершенствования схем калибровки профилей различной сложности, отвечающего единым принципам представления, хранения и обработки информации, разработан структурно-матричный подход, в рамках которого предлагается каждой технологической операции и результату воздействия технологической операции ставить в соответствие математический объект - матрицу сложной структуры, состоящей из отдельных блоков (клеток).

Результаты воздействия отождествляются с этапом процесса, а сама технологическая операция с технологическим изменением.

Структурно-матричное Описание отдельного этапа процесса [А] включает следующие блоки, содержащие однотипную информацию по факторам и параметрам процесса: блок описания формы [Ф], блок описания механических свойств [С], блок описания технологических параметров [П]. Данные блоки, в свою очередь, также могут являться блочными матрицами, состоящими из отдельных клеток.

В соответствии с целями диссертации, подробно разработаны варианты представления информации в блоке описания формы [Ф];.

Для описания процесса в его динамике предлагается учитывать связи между отдельными технологическими состояниями в матричном виде - матрицами технологических изменений [И]$=1..п . Тогда 1-я технологический этап процесса опишется матричным уравнением:

. _ М, , < [И]. - [А], , а сам процесс системой из п матричных уравнений:

Мо х [И], -> [А],

[А],., х [И], -> [Л],

. [А]т.г * ["]. - Нп >

где [Ajo, |А]П - матрицы, описывающие исходное и конечное технологические состояния соответственно;

[Ii]i, [И]„ - матрицы, описывающие первую и заключительную технологические операции.

Данная форма представления процесса удобна для представления, обработки данных и моделирования на ЭВМ.

Представленная выше система матричных уравнений - это наиболее общая формула описания процесса прокатки. Матрицы описания изменений технологических состояний [И]ь как и матрицы технологических состояний [A]¡, -сложные структурные матрицы, состоящие из некоторого конечного числа элементарных блоков (клеток).

Отдельные клетки общей матрицы [Il]¡ могут содержать информацию векторного типа (упорядоченный по определенному закону набор чисел, например матрица изменения формы - [ИФ];), аналитические или эмпирические зависимости. Но в любом случае, независимо от способа представления информации, все клетки включены в общую матричную описательную систему, и применительно к каждой клетке, как к части общей матрицы, может быть использован математический аппарат теории матриц, то есть уравнения матричного вида.

Низке схематично показана структурная матрица /-го технологического изменения [Il]¡, включающая блоки [ИФ](, [ИС]ь [ИЩ - изменения формы, свойств и технологических параметров соответственно.

[И], =

[ИФ],

Щ

í»nlJ

[ИФ], = [Ф], / [Ф],_

[ие], = [с], / [с],., [ип], = [п], / [п],_

Согласно данному подходу формоизменение описывается блоками формоизменения |ИФ]; = [Ф], 1 [Ф]ц, где г пробегает от I до т, представляющими отношение матриц формы после и до формоизменения. В этом случае блок формоизменения является формализованным описанием данного формоизменения и несет всю информацию о нем. Блок формоизменения является диагональной матрицей. Ее ранг определяется размерностью блока описания формы. Достоинством такого представления формоизменения является возможность машинной обработки калибровки.

[ИФ],=

'[и®.],"

[И<Ы

[ид]

I*.].

Разработаны принципы матричного описания сортовых профилей различной сложности, основанные на аппроксимации поперечного сечения деформируемого изделия многомерными векторами. Предложено несколько вариантов матричного описания формы, из которых следует выделить способ описания поэлементно. Суть его состоит в следующем.

Профиль первоначально делится на конечное число к простых элементов. В каждом элементе определяется центр описания в центре тяжести данного элемента. Для связности и однозначности описания вводится матрица центров [Ц], содержащая информацию о расположении центров описания простых элементов относительно общего центра описания и состоящая из значений углов (ра и радиус-векторов рс\ Далее все простые элементы описываются аналогично матричному представлению простых профилей, то есть векторами Ькр размерностью р. Причем размерность р для каждого элемента может быть индивидуальной в зависимости от требуемой точности описания.

Это позволило описать форму профиля неравнополочного уголка:

Кр1 = [(сД^с!, Рс1)), (с2(^1-/^2)). (ь,(ь^, .п)), (ь»,(ь'

где пат- размерности соответственно вектора О), описывающего длинную

и

полку, и вектора Ь1], описывающего короткую полку, и т. авиополочного уголка:

Кг2=[(с(?с./>,)). (Ь2(Ь1=1..П))]. (2)

где п - размерность вектора Ьг, описывающего полку.

Таким образом, предложен подход к описанию процесса прокатки профилей различной сложности,"обеспечивающий:

- комплексность и универсальность (единый и удобный для машинной обработки способ представления информации о взаимном влиянии различных технологических факторов и процесса формоизменения),

- адаптивность (возможность описывать процессы различной сложности, протекающие на различных технологических объектах, без изменения структуры описания).

В третьей тлаве для создания системы критериев комплексного анализа и целенаправленного совершенствования схем калибровки профилей сложной формы, разработанные ранее О.Н.Тулуловым матричные критерии оценки эффективности работы калибровок профилей простой формы (критерии технологичности, точности и стабильности) трансформированы в универсальные критерии оценки калибровки с калибрами различной сложности.

С использованием принципов структурно-матричного подхода к описанию профилей различной сложности, для оценки эффективности калибровок равнополочной угловой стали предложено три матричных критерия технологичности: КТ1, Кф, Кт Они определены следующим образом:

где /СЦ, - «метрика процесса», определяемая как расстояние между векторами, описывающими контур исходного сечения и контур конечного профиля для данной калиОровки, определяется как

I /

Рпр = ЛХ(Ьт,]-а0>1) , (6)

V ¡=1

а Т,, Тф, Т соответственно:

где щ \ и ; - соответственно компоненты векторов а] и Ь] входного и выходного сечений в j-й клети.

Критерий КТ1 характеризует эффективность работы калибровки в самом общем виде. По критерию Кф определяется для данной калибровки эффективность работы, связанной только с формоизменением. Критерий Кт, несмотря на некоторое усложнение формулы, наиболее полно характеризует эффективность работы калибровки, опосредованно учитывая работу по формоизменению в калибрах и работу по осуществлению кантовок.

Для практического апробирования разработанных матричных критериев было проведено исследование двух различных вариантов («старого» и «нового») действующих калибровок равнополочных уголков 40x4, 50x5 и 63x5, применявшихся в разное время на станах «300-1» и «300-3» АО«ММК».

Данные варианты калибровок характеризуются одинаковыми начальными и конечными условиями: предназначены для получения уголков 40x4, 50x5 и 63x5 из заготовок одного и того же сечения (соответственно квадрат 64x64, 82x82 и 84x84); деформирование осуществляется в десяти клетях.

Среди матричных критериев был выбран Кт (5) как наиболее полно характеризующий калибровку (учитывающий формоизменение и кантовки), так как и новая, и старая схемы калибровок предусматривают кантовки на 90°.

Был разработан алгоритм и программные средства по автоматизированному расчету Кт в рамках единой системы обработки баз данных и анализа ка-

1.1

либровок. С помощью расчета были определены значения Ктс и Ктн соответственно для старых и новых вариантов калибровок.

Для всех «старых» вариантов калибровок критерий технологичности меньше, чем для «новых».' Для уголка 40x40x4 на 9 (0,24 и 0,22), 50x50x5 на 42 (0,37 и 0,26), 63x63x5 на 15% (0,30 и 0,26 соответственно) значение Ктн превышает значение Ктс.

По данным специалистов калибровочного бюро АО «ММК», один из вариантов калибровок («новый») показал себя при эксплуатации более эффективным по сравненто с другим («старым»): новые калибровки были более стабильными в работе, лучше настраивались в процессе работы и т.д. Старые калибровки были заменены новыми, оказавшимися, таким образом, более технологичными.

Таким образом, рассчитанные значения критериев технологичности для действующих калибровок, качественно подтвердились анализом их работы на практике, были получены численные значения критериев, выражающих эффективность формоизменения при прокатке уголка (профиля с достаточно сложной формой). Доказано, что матричные критерии оценки технологичности калибровок могут быть использованы в качестве как самостоятельных решений в задачах по определению эффективности калибровок, так и отдельных решений в более общих технологических задачах, с учетом специфики каждого критерия. Методики расчета критериев легко могут быть алгоритмизированы и включены в модели анализа калибровок.

В четвертой главе с целью анализа энергетических характеристик процесса прокатки угловой стали с единых матричных позиций ранее разработанная О.Н.Тулуповым методика расчета величины работы формоизменения (Аф) при прокатке профилей простой формы была усовершенствована для расчета величины Аф при прокатке угловой стали.

С позиций структурно-матричного подхода к описанию формоизменения разработана оригинальная методика оценки объема очага пластической деформации, основанная на разбиении пластической области на конечнбе число объемов (очаг деформации разбивается на сегменты плоскостями, проходящими через одноименные радиус-векторы исходного и конечного сечений)!

Данное разбиение позволяет не усреднять обьем очага деформации и, что очень важно, учитывать угол, при котором начинается деформирование каждой

отдельной области. Этот угол для случая сортовой прокатки есть величина переменная по поперечному направлению плоскости входа металла в валки. Поэтому расчет объема очага пластической деформации через дискретные области существенно уточняется.

Расчет величины Аф с матричных позиций позволил осуществить точный сравнительный анализ матричного критерия технологичности и работы формоизменения. В результате этого была получена аналитическая связь между критерием, технологичности и суммарной работой формоизменения:

где С = (- 1п2ц - 1пц in(| ¿1 /I а\));

Г - средняя интенсивность деформации сдвига (величина Аф находится в прямой зависимости от величины Г).

Анализ формулы (10) показывает, что связь между значениями, характеризующими величину суммарной работы формоизменения, и коэффициента технологичности носит обратный характер, поскольку сумма величин, содержащих работу формоизменения по проходам, находится в знаменателе правой части формулы.

При рассмотрении процессов формоизменения с одинаковыми начальными и конечными условиями и сходными технологическими параметрами (например, несколько вариантов калибровки для прокатки определенного профиля из заготовки одного и того же размера) меньшая сумма работ по проходам обеспечит больший коэффициент технологичности.

Таким образом, аналитически доказано, что в задачах сравнительного анализа процессов формоизменения и ранжирования их по энергозатратам достаточно использование матричного критерия технологичности формоизменения, который несет в себе информацию об относительных энергозатратах.

Предложена методика расчета усилия прокатки (основного параметра, необходимого для правильного построения технологии, расчета прочности оборудования стана и выбора мощности привода) угловой стали с единых матричных позиций. Показано использование в рамках структурно-матричного подхода

К

(10)

1.-1

классической методики А.П.Чекмарева по расчету среднего удельного давления в калибрах.

Разработана методика определения площади контактной поверхности, основанная на матричном представлении формоизменения, суть которой заключается в разбиении площади контактной поверхности на элементарные полоски, ограниченные отрезками, которые соединяют соседние радиус-векторы в исходном и конечном сечениях, и дугами контакта, соединяющими одноименные радиус-векторы а\ и '¿¡.

Данная методика позволяет уточнить усилие прокатки, благодаря отличному от других методик способу определению площади контактной поверхности, коэффициента формы калибра и ряда других параметров.

С целью проверки применимости новых методик определения энергетических характеристик и матричных оценочных критериев процесса прокатки был проведен комплексный анализ различных вариантов и схем калибровок угловой стали.

Сравнительному анализу подвергалось более 200 пар калибров около 40 схем действующих калибровок угловой стали. К рассмотрению принимались как схемы прокатки с закрытыми, так и с открытыми калибрами.

Расчет значений критериев проводился автоматизировано с помощью разработанного прикладного пакета программ «Ь'ОЯТ РЯ».

Проведенное комплексное исследование различных действующих схем калибровок угловой стали и анализ полученных результатов исследования еще раз на практике подтвердил корреляционную связь между критерием технологичности формоизменения, работой, затраченной на формоизменение, и усилием прокатки. Результаты исследования показали преимущества открытых уголковых калибров перед закрытыми с точки зрения технологичности формоизменения.

Результаты анализа вариантов катибровок угловой стали доказывают перспективность применения матричных методик Как в системах экспресс-анализа (оценка калибровки по двум, трем критериям), так и в системах всестороннего анализа калибровок, где производится оценка не только технологичности (эффективности), но также энергозатрат.

В результате комплексного исследования было установлено, что действующие схемы калибровки, рассчитанные по методикам М.М.Штернова, А.П.Чекмарева и Р.С.Машковцева, И.И.Кучко, В.К.Смирнова и В.А:Шилова,

обладают большей технологичностью, чем калибровки, рассчитанные по другим методам.

В пятой главе решение технологической задачи совершенствования схемы калибровки валков на основе принципов структурно-матричного подхода с использованием матричных критериев оценки и показателей энергетических характеристик процесса прокатки было осуществлено на примере стана «30.0-2» Узбекского металлургического завода, при получении равнополочной угловой стали 40x40x4. Полунепрерывный среднесортно-мелкосортный стан «300-2» УМЗ (производитель -фирма «БКЕТ», ГДР) является одним из. самых современных сортовых станов в СНГ.

С целью решения проблемы точности выполнения полок, стабильности геометрических размеров при прокатке угловой стали, связанной с колебаниями геометрии, температуры нагрева и нестабильностью механических свойств поступающей на стан заготовки, разработаны адаптивная модель сортового стана, методика автоматизированного анализа технологических схем сортовой прокатки и совершенствования калибровки валков.

Для осуществления автоматизированного анализа технологических схем прокатки на основании разработанной модели создан пакет прикладных программ, осуществляющий расчет критериев оценки калибровки (точности, стабильности, технологичности, работы формоизменения и усилия прокатки) при моделировании прокатки уголка 40x4 с учетом варьирования основных технологических факторов.

Калибровка стана «300-2» УМЗ рассчитана на прокатку различных профилей из круглой заготовки диаметром 140 мм. Как было установлено исследованиями, проведенными на стане, размер реально поступающей заготовки из обжимной группы имеет диапазон колебаний 135..150 мм. Для моделирования был выбран диапазон 132.. 152 мм.

Температура нагрева заготовки после проходной печи при соблюдении технологии должна составлять 1150° С, фактически температура поступающей в черновую группу клетей стана заготовки в среднем составляет 1130..1160° С. Моделирование прокатки проводилось при варьировании температуры нагрева заготовки от 1110 до 1160° С. Также проводилось моделирование при совместном изменении этих двух параметров.

Проведенный комплексный анализ схемы калибровки стана «300-2» УМЗ для прокатки угловой стали 40x4 показал наличие достаточной точности геометрических размеров прокатываемого металла и стабильности технологического процесса в черновой группе (критерий стабильности для данной группы практически всегда превышал значение единицы).

Результаты анализа промежуточной и чистовой групп стана по критериям точности, стабильности и технологичности позволили установить, что нестабильность процесса и отклонения геометрических размеров профиля образуются именно в промежуточной группе стана. Как следствие, низкая точность геометрических размеров и развивающаяся нестабильность процесса прокатки в чистовой группе стана, что отрицательно сказывается на точности геометрических размеров готовой продукции.

Старая схема прокатки в промежуточной группе стана предполагала калибровку, состоящую из двух подготовительных открытых калибров. Поэтому точность промежуточного раската при выходе из данной группы была нестабильной.

Для повышения точности прокатки на стане была разработана новая схема калибров промежуточной группы клетей стана, использующая в последней клети группы закрытый калибр. Было предложено заменить два открытых подготовительных калибра на четыре новых, последним из которых является закрытый уголковый калибр.

При разработке новой калибровки были использованы классические методики расчета овальных калибров. Для выбора наиболее эффективного варианта новой калибровки было произведено исследование 10 вариантов рассчитанных калибровок промежуточной группы с использованием различных значений из диапазонов АЬ/ЛЬ (0,33..0,50 для 16..18 клетей) и Н/В (1,10..1,40 для 16 клети). Данные варианты кшшбровок представлялись в матричном виде и анализировались по критерию технологичности Среди всех вариантов калибровок валков был выбран наиболее технологичный (Кт = 0,82).

Новый и старый варианты схем калибровок уголка 40x4 для промежуточной группы стана «300-2» УМЗ представлены на рисунке.

После проведенных изменений схема калибровки для прокатки угловой стали выглядит следующим образом: неизмененной остается калибровка черновой группы стана; промежуточная группа состоит из системы четырех калибров, последним из которых является закрытый уголковый калибр; калибровка чистовои группы стана остается неизменной.

1 § ■ ч

тг

1 1 К

. 1 \

/--Т 215"^--с 1

1 1

Варианты схемы калибровки промежуточной группы: а - действующий; .о - предлагаемый

По аналогии с исследованиями старой схемы калибровки при прокатке угловой стали 40x4, был проведен анализ предложенной схемы калибровки с применением всех блоков структурно-матричной модели стана при изменении таких параметров, как поперечный размер и температура нагрева заготовки. Анализ новой схемы калибровки проводился по критериям точности, стабильности, технологичности формоизменения, а также по величинам работы формоизменения и усилия прокатки.

Результаты комплексного анализа предлагаемой схемы калибровки, их сравнение с результатами анализа существующей на стане технологической схемы прокатки, позволяют утверждать, что разработанная схема прокатки решает проблему стабильности формоизменения, существенно повышает точность прокатываемой на стане угловой стали. Данный вывод подтверждается возросшими значениями матричных критериев оценки точности и стабильности для предлагаемого варианта калибровки. Критерии точности и стабильности для всех клетей чистовой группы близки к единице даже при значительных колебаниях технологических параметров.

В значительной мере уменьшились расчетные значения работы формоизменения и усилия прокатки, приблизившись к значениям этих параметров, рассчитанных для случая «идеальной» прокатки (при жестком соблюдении технологии).

Проведя комплексное исследование и сравнительный анализ двух технологических схем стана «300-2» УМЗ, можно сделать заключение о целесообразности и полезности использования предлагаемой схемы калибровки для прокатки угловой стали.

Использование матричной модели сортового стана в задаче совершенствования технологической схемы стана «300-2» УМЗ показывает дальнейшую перспективность расширенного применения разработанной системы автоматизированного анализа.

Созданная модель позволяет решать ряд задач управления технологическим процессом действующих сортовых станов путем многовариантного моделирования процесса и оценки его технологических возможностей. Такая оценка необходима при переходе стана на другой размер заготовки или прокатку стали новой марки, при переходе на непрерывно-литую заготовку, с целью принятия решений по изменению технологической схемы, а также, с целью выявления факторов, отрицательно влияющих на точность профиля, и способов их устранения.

Матричная модель сортового стана позволяет моделировать процесс прокатки на проектируемом стане и по критериям оценки технологического процесса находить слабые участки предлагаемой схемы прокатки.

Кроме того, настоящая модель может быть использована как система управления верхнего уровня, которая обеспечивает не текущую настройку стана путем регулирования технологических параметров, а коррекцию схемы калибровки путем замены отдельных калибров или групп калибров, отрицательно влияющих на качественные показатели прокатываемых профилей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате решения поставленных в диссертационной работе задач по созданию работоспособных моделей, методик и алгоритмов анализа схем калибровок угловой стали с целью их применения в моделях управления формоизменением на сортопрокатном стане для совершенствования калибровок прокатных валков можно сделать следующие выводы.

1. На основе дальнейшего развития матричного подхода к описанию формоизменения в калибрах предложен структурно-матричный способ представления профилей различной сложности, позволяющий описать технологические параметры процесса сортовой прокатки единым матричным уравнением.

2. Ранее разработанные матричные критерии оценки калибров простой формы трансформированы в универсальные критерии оценки калибровки с калибрами различной сложности.

3. Разработаны матричные методы расчета работы формоизменения и усилия прокатки угловой стали. Впервые аналитически доказана обратная связь между матричными критериями технологичности и величиной работы формоизменения при прокатке равнополочной угловой стали.

4. На основе анализа более 40 действующих калибровок угловой стали доказана применимость разработанных матричных критериев для комплексной оценки калибровки уголка. Проведенный сравнительный анализ схем калибровки угловой стали, доказал преимущества открытых угловых калибров перед закрытыми с точки зрения технологичности формоизменения и позво-

лил ранжировать по критерию технологичности калибровки угловой стали, рассчитанные по методикам ведущих калибровщиков.

5. Разработана адаптивная матричная модель комплексного анализа технологичности, точности, стабильности формоизменения и энергозатрат при прокатке угловой стали на стане «300-2» Узбекского металлургического завода. Разработан вариант калибровки промежуточной группы, стабилизирующий точность геометрических размеров профиля при прокатке в открытых уголковых калибрах непрерывного сортового стана «300-2» УМЗ.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Развитие матричного подхода к описанию процессов ОМД с целью адаптивного управления формоизменением / С.А.Тулупов, О.Н.Тулупов, А.Б.Моллер, А.А.Зайцев // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: Тез. докл. Межгосударств, научно-техн. конф. 14-17 мая 1996 г. - Магнитогорск, С. 67-68.

2. Разработка адаптивной математической модели настройки сортового стана и принципов ее применения в системах управления / О.Н.Тулупов, А.Б.Моллер, А.А.Зайцев, В.Брандт // Новые ресурсосберегающие технологии и материалы: Тез. докл. Междунар. научно-практ. конф. 11-14 июня 1996 г. - Челябинск, С. 50.

3. Тулупов С.А., Тулупов О.Н., Зайцев A.A. Структурно-матричное описание калибровки фланцевых профилей. - Магнитогорск, гос. горно-металлург. акад. - Магнитогорск, 1995. - 18 с. - Деп. в ВИНИТИ 23.01.96, N 264-В96.

4. Тулупов С.А., Тулупов ОН., Зайцев A.A. Структурно-матричное описание процессов ОМД. - Магнитогорск, гос. горно-металлург. акад. - Магнитогорск,

1996,- 21 е.- Деп. в ВИНИТИ 22.07.96, N 2496-В96.

5. Структурно-матричное описание калибровки гнутых и фланцевых профилей / О.Н.Тулупов, М.Ф.Сафронов, С.А.Тулупов, А.А.Зайцев // Эффективные технологии: Сб.науч.тр. / "Комплекс новых технологий" АО "ММК". - Магнитогорск, 1996,- С. 29-36.

6. Энергетические характеристики формоизменения при матричном моделировании калибровки валков / О.Н.Тулупов, А.А.Зайцев, В.Ф.Рашников, Д.И.Кинзин. / Магнитогорск, гос. горно-металлург. акад. - Магнитогорск,

1997,- 15 с. - Деп. в ВИНИТИ 12.03.97, N 722-В97.

7. Оценка усилия прокатки в калибрах на базе структурно-матрнчиого подхода / М.Г.Поляков, В.В.Арцибашев, А.А.Зайцев, Д.И.Кинзин, Д.Н.Тулупов. 1 Магнитогорск. гос. горно-металлург. акад. - Магнитогорск, 1997,- 18 е.- Деп. в ВИНИТИ 16.05.97, N 1633-В97.

8. Метод расчета усилия прокатки в калибрах на основе структурно-матричного представления процесса / О.Н.Тулупов, А.А.Зайцев, Д.И.Кинзин, Д.Н.Тулупов // Эффективные технологии: Сб.науч.тр. / "Комплекс новых технологий" АО "ММК". - Магнитогорск, 1996,- С. 50-55.

9. Тулупов С.А., Тулупов О.Н., Зайцев А-А. Матричные критерии оценки эффективности процесса калибровки профилей сложной формы. - Магнитогорск. гос. горно-металлург. акад. - Магнитогорск, 1997. - 27 с. - Деп. в ВИНИТИ 12.03.97, N721-397.

10. Оценка технологичности калибровки равнополочной угловой стали / А.А.Зайцев, О.Н.Тулупов, В.Ф.Рашников, В.М.Куприн // Эффективные технологии: Сб.науч.тр. / "Комплекс новых технологий" АО "ММК". - Магнитогорск, 1996,- С. 56-62.

11. Пути развития матричного подхода к описанию процессов ОМД с целью адаптивного управления формоизменением / С.А.Тулупов, О.Н.Тулупов, А.Б.Моллер, А.А.Зайцев // Сборник науч. тр. МГМА и Южно-Уральского отд. инженерной академии РФ. - Магнитогорск, 1996. - Т. 2. - С. 41-46.

12. Тулупов О.Н," Зайцев A.A. Матричные методы анализа технологических схем прокатки угловой стали // Технология и оборудование сталеплавильного и прокатного производства: Всерос. сб. науч. тр. Вып. 1 - Череповец: ЧТУ, 1997 -С.77-82.