автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка режимов деформации краевых участков полосы при горячей прокатке с целью уменьшения потерь металла

Введение.

1 Общие положения и литературный обзор.

1.1 Краевые задачи механики сплошных сред.

1.2 Методы решения задач механики сплошных сред.

1.3 Формирование ширины полосы при прокатке в вертикальных и горизонтальных валках.

1.4 Формирование профиля полос при горячей прокатке.

1.5 Основные задачи исследования.

2 Методика решения задач упруго-пластического деформирования металла.

- 2.1 Постановка задачи об определении поля перемещений среды.

2.2 Применение метода конечных элементов (МКЭ) для решения вариационной задачи.

2.3 Алгоритм определения коэффициента пропорциональности в законе ассоциированного пластического течения для обеспечения условия пластичности конечноэлементной модели.

2.4 Объектно-ориентированная структура пакета программ для решения задач упруго-пластического деформирования металла методом конечных элементов.

2.5 Тестирование пакета программ на модельных задачах.

2.6 Выводы.

3 Моделирование пластической деформации краевых участков полос и начальная настройка в черновой группе клетей.

3.1 Исследование формы и величины концевой обрези подката на летучих ножницах в зависимости от параметров прокатки в черновой группе стана 2000.

3.2 Моделирование пластической деформации переднего конца сляба в гладких вертикальных валках.

3.3 Моделирование пластической деформации переднего конца сляба в вертикальных валках с калибром.

3.4 Корректировка моделей настройки черновой группы с применением реверсивной прокатки в клети №1.

3.5 Анализ разноширинности полос на стане горячей прокатки.

3.6 Моделирование асимметричных режимов прокатки.

3.7 Выводы.

4 Моделирование пластической деформации полос и геометрических характеристик проката в чистовой группе клетей.

4.1 Моделирование пластической деформации кромок полосы при горячей прокатке.

4.2 Разработка модели формирования профиля полос в чистовой группе стана горячей прокатки с учетом утонения кромки.

4.3 Экспериментальные исследования поперечного профиля.

4.4 Разработка технологических режимов прокатки, направленных на снижение утонения кромки.

4.5 Разработка математической модели прогиба двухслойных рабочих валков

4.6 Выводы.

При горячей прокатке полосы течение металла вблизи ее краев имеет нестационарный характер. В связи с этим в зоне боковых кромок, а также на переднем и заднем концевых участках полосы наблюдается наибольшее количество дефектов. Из-за невозможности полностью избежать возникновения краевых дефектов прокатки, для получения готовой продукции заданного качества выполняется обрезка переднего и заднего концов полосы, а также боковых кромок. Уменьшение потерь металла в обрезь представляется актуальной задачей.

В настоящее время в связи с интенсивным развитием вычислительной техники большое распространение получило компьютерное моделирование процессов прокатки, необходимое для прогнозирования характеристик прокатываемой полосы и настройки оборудования, направленной на улучшение качества продукции. Наиболее распространенным, универсальным и весьма точным способом моделирования процессов пластической деформации на сегодняшний день является метод конечных элементов (МКЭ). Однако в связи с большим объемом вычислений, выполняемых при обработке конечноэлементных моделей, его непосредственное использование для выполнения расчетов в реальном времени, как правило, невозможно. Построение менее точных, но более быстрых моделей требует сбора большого количества экспериментальных данных для параметрической идентификации и адаптации. Использование вместо экспериментальных данных результатов конечноэлементного моделирования позволяет отказаться или в значительной степени сократить число дорогостоящих и сложных натурных испытаний.

Цель работы состоит в исследовании с помощью МКЭ закономерностей течения металла в прикромочных зонах полосы для дальнейшей разработки на базе условно-точных конечноэлементных моделей быстродействующих алгоритмов, пригодных для использования в режиме реального времени в системах управления режимами прокатки, с целью снижения потерь металла в обрезь.

На защиту выносятся следующие основные положения: итерационный алгоритм выделения упругой и пластической составляющих тензора деформации при конечноэлементном моделировании упруго-пластической деформации в приращениях перемещений; определение геометрических параметров переднего конца сляба после деформации в вертикальных валках на основе его трехмерной конечноэлементной модели; методика определения передаточных коэффициентов, характеризующих зависимость величины кривизны загиба переднего края полосы при прокатке с асимметричными условиями на верхнем и нижнем валках; модель утонения кромки полосы при горячей прокатке в чистовой группе; модель напряженного состояния двухслойного валка под действием изгибающих моментов, перезывающих сил и неравномерности температурного поля.

Основные выводы по работе

Предложен итерационный алгоритм выделения упругой и пластической составляющих тензора деформации при конечноэлементном моделировании процесса упруго-пластической деформации в приращениях перемещений.

Построены модели для вычисления геометрических характеристик переднего конца сляба при прокатке в вертикальных и горизонтальных валках черновой клети. Предложены режимы распределения вертикальных и горизонтальных обжатий для реверсивной клети №1 черновой группы стана горячей прокатки, направленные на уменьшение концевой обрези. Применение таких режимов в системе начальной настройки черновой группы стана 2000 ОАО «НЛМК» позволило сократить величину концевой обрези на 9%.

Установлено, что при использовании калиброванных вертикальных валков длина зоны сужения переднего конца сляба меньше на 30-45% по сравнению с гладкими валками.

Результаты анализа разноширинности полос указывают на необходимость дифференцированного подхода при формировании задания на ширину в черновой группе, учитывающего минимальное значение разноширинности для каждой марки стали. Это позволит снизить потери металла при обрезке кромок для некоторых марок стали. Так, для стали 01 ЮТ экономия металла может составить 6,2 кг/т.

Разработана методика определения количественных характеристик отклонения переднего конца полосы от плоскости прокатки при наличии асимметричных условий на верхнем и нижнем рабочих валках черновой клети на основе конечноэлементного моделирования. При обжатии сляба толщиной со 140 до 90 мм в условиях черновой группы стана 2000 передаточные коэффициенты зависимости величины кривизны загиба переднего края полосы

5 2 от разности диаметров рабочих валков составляет-3,9-10' мм' , от разности температур верхней и нижней поверхностей сляба — -2,2-10"5 мм"1 °С"1. Передаточные коэффициенты могут быть использованы для уменьшения подгибания полосы вверх при выходе из клети в системе управления скоростным режимом рабочих валков.

На основе конечноэлементного анализа пластической деформации кромки полосы в контакте с рабочим валком разработан алгоритм расчета ширины участка утонения, распределения величины утонения и погонного усилия на кромке полосы для одномерной контактной задачи расчета поперечного профиля проката. Установлено, что ширина зоны утонения кромки полосы увеличивается с 23-24 мм для полосы толщиной 2 мм до 60 мм для полосы толщиной 10 мм. Отклонение фактических величин ширины зоны утонения от теоретических составило 6-9 мм.

Для уточнения модели расчета поперечного профиля полос и утонения кромки построена модель напряженно-деформированного состояния и изгиба двухслойного валка с учетом неравномерности свойств материалов сердцевины и рабочего слоя под действием изгибающих моментов, перезывающих сил и неравномерности температурного поля. Для применяемых на стане 2000 рабочих валков учет различия упругих характеристик сердцевины и рабочего слоя дает поправку к величине прогиба валка в 15-17%.

На основе разработанной модели утонения кромки определены параметры технологии прокатки полосы в чистовой группе клетей с использованием осевой сдвижки валков с конусной частью, направленной на уменьшение утонения боковой кромки полосы. Разработанные технологические режимы прокатки с осевой сдвижкой рабочих валков могут быть использованы для расширения состава заказов на горячий прокат с требованиями по поперечной разнотолщинности с меньшим минимальным расстоянием от края полосы при измерениях, а также для повышения качества горячего и холодного проката, поставляемого с необрезной кромкой.

Основное содержание диссертации отражено в работах [70-76]

1. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.—598с.

2. Крылов В.И. и др. Вычислительные методы. М.: Наука, 1977.

3. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений: Учеб. пособие.— М.: Наука, 1978.— 592с.

4. Курант Р. Уравнения с частными производными. М.: Мир, 1964.—830с.

5. Ректорис К. Вариационные методы в математической физике и технике: Пер. с англ.—М.: Мир, 1985.— 589с.

6. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности: Пер. с англ.—М.: Мир, 1987 — 542с.

7. Новоселов B.C. Вариационные методы в механике. ЛГУ, 1966.— 71с.

8. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1980.— 456с.

9. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. М. .'Металлургия, 1986.— 687с.

10. АркулисГ.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности. М.: Металлургия, 1980. —465с.

11. Вельский С.Н., Барышев В.В., Третьяков В.А. Вариационные методы в обработке металлов давлением: Учеб. пособие.— Липецк: ЛГТУ, 1996.— 56с.

12. Ректорис К. Вариационные методы в математической физике и технике: Пер. с англ.—М.: Мир, 1985.—589с.

13. Реклейтис Г., Рейнвиндран А., РэгсделК. Оптимизация в технике. В 2-х книгах — М.: Мир, 1986.

14. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ.— М.: Мир, 1985—509с.

15. Полак Э. Численные методы оптимизации. Единичный подход: Пер. с англ.— М.: Мир, 1974.— 376с.

16. Калиткин Н.Н. Численные методы. — М. :Наука, 1978. — 512с.

17. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ.—М.: Мир, 1981.—304с.

18. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ.— М.: Мир, 1979.—392с.

19. Победря Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности. — М.: Изд-во МГУ, 1995. —366 с.

20. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и механике сплошных сред: Пер. с англ.— М.: Недра, 1974.— 240с.

21. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ.— М.: Мир, 1975.—541с.

22. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ.—М.: Мир, 1986.— 318с.

23. Сьярле Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач: Пер. с англ.—М.: Мир, 1980.—512с.

24. Бурман З.И. Программное обеспечение матричных алгоритмов и метода конечных элементов в инженерных расчетах. / З.И. Бурман, Г.А. Артюхин, Б.А. Захарин. — М.: Машиностроение, 1998. — 253с.

25. Воронов A.JI. О целесообразности использования метода конечных элементов на примере учета прочностной неоднородности материала в расчетах процессов обработки давлением // Производство проката. 2002. №2. С. 5-9.

26. Восканьянц А.А. Расчет напряженно-деформированного состояния валковой системы клети кврто 2500. // Производство проката. 2001. №5. С. 35-38.

27. Комратов Ю.С., Лехов О.С. Исследование напряженно-деформированного состояния бандажа прокатного валка. // Производство проката. 2002. №4. С. 36-39.

28. I.B. Jones et al. Applicability of finite element method to design and optimization of food cans. // Ironmaking and Steelmaking, 1998, Vol. 25, No. 1, pp.74-80

29. G. Hibon et al. How deep-drawn parts made of hot-rolled sheet steel should be designed. //37th Mecanical working and steel processing conference proceedings. Vol. XXXIII, Hamilton, Ontario, Canada, October 22-25, 1995, pp. 115-122.

30. B. Chin, S. Yue, J.E. Nemes. Prediction of strain and properties through cross-section of rolled billet. // 37th Mecanical working and steel processing conference proceedings. Vol. XXXIII, Hamilton, Ontario, Canada, October 2225, 1995, pp. 449-453.

31. D.C.J. Farrugia, M. Zhou, P.M. Ingham. A viscoplastic constitutive model to represent the material behaviour during hot rolling of steel. // J. Phys. Sec. 4 1999, №9, P. 73-81.

32. Миленин A.A. Анализ механизма уширения при осадке с помощью метода конечных элементов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1994. №12. С. 19-21.

33. J.M. Cabrera, J.M. Prado and М.А. Barren. An inverse analysis of the hot uniaxial compression test by means of the finite element method. // Steel research, 1999, No. 2, pp. 59-66.

34. M. Krzyzanowski and J.H. Beynon. Finite element model of steel oxide failureduring tensile testing under hot rolling conditions. // Materials Science and Technology. October, 1999. Vol. 15, pp. 1191-1198.

35. БудакваА.А., Коновалов Ю.В., Качалка З.Г., Клименко Т.Н., БудакваС.А. Исследование на математической модели деформации S-образных валков с осевым смещением. // Известия вузов. Черная металлургия. 1994. №2. С. 28-30.

36. Белевич А.В. Моделирование напряжений в плоских сечениях прессовых матриц с глубокими вырезами методом конечных элементов. // Известия вузов. Черная металлургия. 2000. №1. С. 25-27.

37. Ершов С.В. Функции формы конечных элементов. Их свойства и способы получения. // Известия вузов. Черная металлургия. 2002. №7. С. 20-23.

38. Белевич А.В., Гончарук А.В., Даева Е.В., РоманцевБ.А. Исследование технологических и конструктивных параметров рабочих клетей винтовой прокатки с помощью современных конечноэлементных систем

39. Седов Л.И. Механика сплошной среды, т. 2. — М.: Наука, 1970.—568 с.

40. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970. —664с.

41. Райе Д. Матричные вычисления и математическое обеспечение: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 264с.

42. Воеводин В.В. Вычислительные основы линейной алгебры. М.: Наука, 1977. 304с.

43. N. Tazoe. New Forms of Hot Strip Mill Width Rolling Instalations // 1984 AISE Spring Conference, Dearborn, Mich., April 30 May 2, 1984.

44. M. Okado. New Light on Behavior of Width of Edge of Head and Tail of Slabs in Hot Strip Rolling Mills // Journal of the Iron and Steel Institute of Japan, Vol. 67, No. 15, 1981, pp. 2516-2525.

45. V. B. Ginzburg. Steel Rolling Technology: Theory and Practice. Marcel Dekker, New York, 1989.

46. M. De Vathaire, et al. Automatic Operation of SOLLAC Reversing Roughing Mill // Proceedings of 4th International Steel Rolling Conference: The Scienceand Tecnology of Flat Rolling. Vol. 1, Deauville, France, June 1-3, 1987, pp. A.9.1-A.9.7.

47. R. L. Huismann. Large Width Reductions in Hot Strip Mills // Commission of the European Communities Report, 1983.

48. Павельский О., Пибер В. Возможности и пределы деформации по ширине при плоской горячей прокатке. Черные металлы №17. С. 3-11.

49. Stone, M.D. and Talbot, Н.Н., U.S. Patent No. 3,580,032, May 25, 1971.

50. Lemper, H., U.S. Patent No. 3,670,587, June 20, 1972.

51. M. Takeuchi, et al. Heavy Width Reduction in Rolling of Slabs. Nippon Steel Technical Report, No. 21, June 1983, pp.235-246.

52. Nishibayashi, S., et al, Design and operation of a new hot strip mill at Hirohata works.» Iron and Steel Engineer, October 1986, pp 49-56.

53. Грудев А.П. Актуальные теоретические вопросы прокатки. Сборник «Труды первого конгресса прокатчиков», Магнитогорск, 23-27 октября 1995 г. С. 25-28.

54. Кудинов С.В. Разработка и исследование технологии беспрограммной прокатки на широкополосных станах: Дисс. . канд. тех. наук. — Липецк: ЛГТУ, 1997.

55. Коцарь С.Л., Третьяков В.А., Цупров А.Н., Поляков Б.А. Динамика процессов прокатки. М., Металлургия, 1997. — 255 с.

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

57. Салганик В.М., ПесинА.М. Асимметричная тонколистовая прокатка: развитие теории, технологии и новые решения. М.: МИСИС, 1997 — 192с.

58. Асимметричная прокатка тонколистовой стали за рубежом. / B.C. Горелик, Б.А. Гунько, П.С. Гринчук и др. — М., 1987 (Обзорная информация / Ин-т

59. Черметинформация», сер. Прокатное производство, вып. 2, 21с.).

60. Николаев В.А., Васильев А.Г. Изгиб переднего конца полосы при прокатке. // Известия вузов. Черная металлургия. 1994. №7. С. 32-33.

61. Николаев В.А. Распределение давления и обжатий между валками при несимметричной прокатке. // Известия вузов. Черная металлургия. 1995. №9. С. 28-30.

62. Голубенко А.К. и др. Влияние угла входа полосы в валки на параметры процесса прокатки. // Известия вузов. ЧМ. 1994. №5. С. 24-27.

63. Стан K-WRS. Стан со сдвижкой рабочих валков фирмы "Кавасаки Стил". // Материалы отдела по проектированию технологического оборудования фирмы "Кавасаки стил корпорейшн". М., 1986. — 90 с.

64. Сафьян A.M. Перспективы реализации комплексной технологии производства высокоточных полос высших категорий плоскостности. Сборник "Труды первого конгресса прокатчиков", Магнитогорск, 23-27 октября 1995 г., с. 84-87.

65. Павельский О., Расп В., Рикман Е. Упругие и пластические деформации в клетях станов холодной прокатки. "Черная металлургия". 1989 г. №20. — С.8-17.

66. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ. / Под ред. Г.С.Шапиро. — 2-е изд. — М.: Наука, 1979.— 560 с.

67. Третьяков В. А., БарышевВ.В., Седых М.О. Решение задач теории пластичности методом конечных элементов // Вестник Воронежского государственного технического университета. Серия «Материаловедение», 2000, выпуск 1.8

68. Третьяков В.А., Барышев В.В., Седых М.О. Решение задач теориипластичности методом конечных элементов // Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Сб. науч. трудов. ТулГУ, Тула, 2000. С.196-203.

69. КоцарьС.Л., БарышевВ.В., Седых М.О. Решение задач теории пластичности методом конечных элементов // Теория и практика производства проката. Сборник научных трудов — Липецк: ЛГТУ. — 2001. С. 286-291

70. МазурИ.П., БарышевВ.В., Седых М.О. Математическая модель упругопластического деформирования непрерывно-литого слитка с жидкой сердцевиной // Производство проката. 2002. №9. С.

71. МазурИ.П., БарышевВ.В., Седых М.О. Постановка задачи упругопластического деформирования непрерывного слитка с жидкой сердцевиной // Известия вузов. Черная металлургия. 2003. №1. С. 29-32.

72. БарышевВ.В., Кудинов С.В., Седых М.О. Моделирование пластической деформации сляба в вертикальных и горизонтальных валках реверсивной клети // Сборник научных трудов. Часть 2 — Липецк: ЛГТУ. — 2003. С. 5357

73. РОССИЙСКАЯ ГОСУДАР СТГ5г"" ТТ Л 1 БИБЛИ0ТШ1 „