автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Исследование и разработка усовершенствования оборудования технологических процессов, обеспечивающих улучшение качества холоднокатаных листов

Введение.

Глава 1. Проблема создания усовершенствованного оборудования и технологических процессов, обеспечивающих высокое качество листового проката.

1.1. Аналитический обзор существующих технологий и оборудования широкополосных станов холодной прокатки.

1.2. Проблема конструирования рабочих клетей станов холодной прокатки, обеспечивающих получение высококачественных стальных полос с минимальными отклонениями от плоскостности.

1.3. Состояние вопроса обеспечения шероховатости холоднокатаных листов в соответствии с требованиями современных стандартов.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Математическое моделирование конструктивных параметров усовершенствованного оборудования станов холодной прокатки.

2.1. Моделирование конструктивных параметров валковых узлов широкополосных станов с Б-образными рабочими валками и системами их встречного осевого перемещения.

2.1.1. Разработка модели для определения зависимости между амплитудой Б-образного профиля рабочих валков и их встречным осевым перемещением.

2.1.2. Исследование влияния диаметров опорных и рабочих валков на амплитуду Э-образного профиля рабочих валков.

2.1.3. Исследование зависимости встречного осевого перемещения рабочих валков от обжатия и ширины полосы.

2.2. Определение основных конструктивных параметров механизма осевого перемещения рабочих валков клети кварто.

2.3. Использование результатов математического моделирования для создания новой конструкции валкового узла для станов холодной прокатки нового поколения.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальная проверка на лабораторном прокатном стане достоверности математических моделей конструирования валкового узла с Б-образными рабочими валками и системами их встречного осевого перемещения.

3.1. Конструкция натурной модели стана, оснащенного механизмом осевого перемещения рабочих валков с синусоидальной образующей их бочек.

3.2. Методика исследования.

3.3. Результаты исследования и их анализ.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Промышленные исследования шероховатости валков и прокатываемой полосы на действующих станах холодной прокатки.

4.1. Методика исследования.

4.2. Анализ результатов исследования.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Разработка теории аэродинамической сепарации дроби и совершенствование оборудования для подготовки поверхности бочек рабочих валков.

5.1. Теория и математическое моделирование процесса аэродинамической сепарации дроби.

5.2. Разработка новых технических решений по аэродинамической классификации дроби в машине для насечки бочек валков стана холодной прокатки.1.

5.3. Реализация разработанных технических решений в усовершенствованной дробеметной установке.

Выводы по главе 5.

Актуальность работы. Потребители холоднокатаной листовой стали предъявляют высокие требования к геометрическим параметрам ее качества, т.е. к макрогеометрии (размеры и форма) и микрогеометрии (шероховатость) поверхностей листов и широких полос.

На металлургических предприятиях России и за рубежом высококачественную тонколистовую сталь прокатывают на широкополосных станах холодной прокатки (ШСХП), обеспечивая макро- и микрогеометрические параметры выпускаемого металла соответствующей геометрией активных зазоров в рабочих клетях. Эти предприятия постоянно совершенствуют оборудование станов с целью выпуска продукции с минимальными отклонениями ее размеров и формы, с нормированными параметрами шероховатости поверхностей листов и полос. За последние 10+20 лет ряд предприятий оснастили рабочие клети листовых станов новыми исполнительными механизмами, которые обеспечивают широкие возможности регулирования активного межвалкового зазора в клети.

Для обеспечения конкурентоспособности продукции, выпускаемой на ШСХП отечественных предприятий, требуется модернизация их устаревшего оборудования и внедрение новых современных технологий. В основе ряда таких технологий лежит применение валков со специальной профилировкой бочек и использование встречного осевого перемещения прокатных валков, при котором плавно изменяется профиль активного зазора в рабочей клети стана. Важнейшее преимущество таких технологий -сокращение парка прокатных валков за счет применения валков с одной специальной профилировкой бочек для прокатки широкого сортамента полос и листов. Другим важным преимуществом являются широкие возможности регулирования активного межвалкового зазора в клети.

Отечественными и зарубежными авторами опубликованы работы, в которых представлены теоретические и экспериментальные исследования 6 процесса прокатки в Б- образных рабочих валках с системой их встречного осевого перемещения. Однако эти исследования имеют технологический характер, авторы публикаций не приводят конструкторские аспекты новых технологий прокатки.

Для широкого использования на ШСХП металлургических предприятий России технологии прокатки в рабочих валках с Б- образной профилировкой и их встречным осевым перемещением необходимо разработать методики расчета основных конструктивных параметров (Б- образная профилировка, максимальное осевое перемещение) и конструкцию усовершенствованного узла валков рабочей клети стана.

Наряду с вопросами обеспечения точности размеров и формы проката, на металлургических предприятиях решаются задачи обеспечения нормированной шероховатости поверхности холоднокатаных полос, которая непосредственно зависит от шероховатости поверхности рабочих валков стана.

Для получения необходимой шероховатости поверхности валков на ШСХП металлургических предприятий России, как правило, применяют дробеметные установки. Использование данных установок сопровождается значительными эксплуатационными затратами, обусловленными высокой интенсивностью износа узлов сепарации дроби для насечки валков и необходимостью их восстановления. Данная проблема может быть решена или путем модернизации дробеметной установки, или путем использования современных способов текстурирования валков. Второй путь требует больших капитальных затрат на покупку современного оборудования, следовательно проблема совершенствования существующих дробеметных установок является актуальной.

Вопросы обеспечения нормированной шероховатости поверхности холоднокатаных полос изучались различными авторами, которые выполнили ряд теоретических и экспериментальных исследований. Однако зада7 чи обеспечения регламентированных значений параметров шероховатости решены не в полной мере.

Цели и задачи работы. Целью работы является разработка на основе теоретических и экспериментальных исследований методик расчета конструктивных параметров и конструирование усовершенствованных валковых узлов рабочих клетей ШСХП и оборудования для подготовки валков, а также разработка технологических процессов, обеспечивающих улучшение геометрических характеристик качества стальных холоднокатаных полос, т.е. их макрогеометрии (размеры и форма) и микрогеометрии (шероховатость).

Все исследования и разработки по теме диссертации проводились по трем основным направлениям, в рамках которых были поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретические исследования:

- математическое моделирование конструктивных параметров валковых узлов ШСХП с Б- образными профилировками и системами встречного осевого перемещения рабочих валков;

- определение на основе исследований на математической модели оптимальных значений амплитуды 8- образного (синусоидального) профиля и максимального осевого перемещения рабочих валков для рабочих клетей станов холодной прокатки полосы;

- исследование на математической модели влияния диаметров опорных и рабочих валков на амплитуду 8- образного профиля рабочих валков;

- исследование на математической модели зависимости встречного осевого перемещения рабочих валков от обжатия и ширины полосы;

- разработка методики определения конструктивных параметров механизма осевого перемещения рабочих валков клети «кварто»;

- разработка методики конструирования и расчета аэродинамических сепараторов чугунной дроби в машинах для насечки прокатных валков.

2. Экспериментальные исследования: 8

- проверка на лабораторном прокатном стане достоверности математических моделей конструирования валковых узлов, оснащенных Б- образными рабочими валками с системами их встречного осевого перемещения;

- исследование шероховатости рабочих валков и прокатываемой полосы на промышленном стане холодной прокатки, для определения влияния режимов прокатки и подготовки валков на формирование основных показателей микрогеометрии холоднокатаной полосы, от которых зависят ее потребительские свойства.

3. Работы по совершенствованию оборудования и технологических процессов: .

- разработка конструкции узла валков с Б- образной профилировкой для стана холодной прокатки, оснащенного системой осевого перемещения рабочих валков;

- разработка конструкции, проектирование и реализация аэродинамического сепаратора чугунной дроби в установке для насечки рабочих валков промышленного стана холодной прокатки;

- разработка режимов прокатки, обеспечивающих нормированную шероховатость поверхности холоднокатаных листов.

Научная новизна заключается в следующем:

- впервые разработаны математические модели расчета и выбора конструктивных параметров валковых узлов с 8- образной профилировкой рабочих валков и системами их встречного осевого перемещения для ШСХП нового поколения;

- получена зависимость величины встречного осевого перемещения Б- образных рабочих валков от параметров деформации валковой системы, износа валков и поперечного профиля подката;

- предложена методика расчета величины начальной осевой установки валков после их завалки в клеть и осевых перемещений валков в процессе прокатки в режиме регулирования планшетности полосы; 9

- на уровне изобретения разработан новый валковый узел для стана холодной прокатки, оснащенного системой встречного осевого перемещения рабочих валков с синусоидальной образующей их бочек;

- впервые установлено влияние режимов прокатки и подготовки валков ШСХП на формирование не только высотных параметров шероховатости, но и количества пиков микронеровностей на единице длины поверхности холоднокатаной полосы;

- установлены диапазоны технологических и энергосиловых параметров, обеспечивающие заданную шероховатость поверхности холоднокатаных полос;

- впервые разработаны методика расчета и конструкция нового аэродинамического сепаратора чугунной дроби в установке для насечки рабочих валков ШСХП.

Практическая ценность. Получены и подтверждены экспериментально выражения, которые позволили рассчитать оптимальные конструктивные параметры валковых узлов станов холодной прокатки нового поколения, оснащенных Б- образными рабочими валками с системами их встречного осевого перемещения.

Разработана признанная изобретением конструкция нового валкового узла с механизмом встречного осевого перемещения рабочих валков с синусоидальной образующей их бочек, которая может быть использована для создания проектов реконструкции существующих ШСХП или при проектировании новых станов. Новый узел валков указанной конструкции реализован в действующей модели прокатного стана кафедры МАМЗ ЧГУ (г. Череповец) и может использоваться в учебном процессе при выполнении лабораторных и научно-исследовательских работ студентов.

Экспериментальным путем доказана эффективность применения клети «кварто» с 8- образными рабочими валками, которые имеют конструктивные параметры, рассчитанные по предложенной математической модели.

10

Разработана и признана изобретением конструкция нового аэродинамического сепаратора чугунной дроби в установке для насечки рабочих валков ШСХП. Аэродинамический сепаратор изготовлен и находится в стадии внедрения вместо быстроизнашиваемого сеточного сепаратора на дробеметной установке для насечки валков ШСХП ОАО «Северсталь».

По результатам исследований в производстве холоднокатаных листов ОАО «Северсталь» изменены технологические и энергосиловые параметры ШСХП, обеспечивающие заданную шероховатость поверхности продукции.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (г. Череповец) в марте 1998 г., на технических советах производства холоднокатаного листа ОАО «Северсталь» в 1997-1998 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей, получено 2 патента на изобретение.

Работа выполнялась в Череповецком государственном индустриальном институте и Череповецком государственном университете в период с 1994г. по 1999г.

Экспериментальные исследования проводились в производстве холоднокатаного листа (ПХЛ) ОАО «Северсталь» и на лабораторном прокатном стане кафедры МАМЗ ЧГУ.

11

6. Результаты работы реализованы в следующих видах:

6.1. Изготовление, монтаж и испытания действующей модели прокатного стана, оснащенного механизмом встречного осевого перемещения

159

Э-образных рабочих валков клети «кварто», Череповецкий государственный университет, 1999 г.

6.2. Изготовление аэродинамического классификатора чугунной дроби для дробеметной установки, используемой для насечки прокатных валков в производстве холоднокатаного листа ОАО «Северсталь», 19981999 г.г.

7. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции. «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства», Череповец, март 1998 г.

160

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методами математического моделирования, лабораторных и промышленных экспериментов проведено исследование технологических процессов и оборудования для холодной прокатки стальных листов с целью разработки новых технических решений для создания усовершенствованного оборудования, обеспечивающего высокое качество холоднокатаной полосы с заданными допусками на плоскостность и шероховатость поверхности. Результаты проведенной работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать конструктивные параметры валковых узлов ШСХП с 8-образной профилировкой рабочих валков и системой их встречного осевого перемещения: амплитуду синусоидального профиля и максимальное осевое перемещение рабочих валков, с учетом их упругих, тепловых деформаций и износа. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать конструктивные и энергосиловые параметры механизма встречного осевого перемещения Э-образных рабочих валков клети «кварто»: усилие осевой сдвижки, диаметр и ход поршня гидроцилиндров механизма. Созданные модели могут быть использованы в системе управления перемещением рабочих валков для регулирования планшетности холоднокатаных полос. Математические модели использованы для теоретических исследований, в результате которых определены оптимальные величины указанных выше параметров для промышленного стана холодной прокатки стальной полосы.

2. С учетом результатов математического моделирования разработаны признанные изобретением новые технические решения, позволившие создать действующую модель прокатного стана, оснащенного механизмом встречного осевого перемещения Э-образных рабочих валков клети «кварто».

158

3. Достоверность математических моделей подтверждена сравнением расчетных данных с результатами измерений, полученными при экспериментальных исследованиях процесса прокатки свинцовых полос на действующей модели прокатного стана. Максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 15%.

4. Проведены промышленные исследования влияния режимов прокатки и подготовки валков непрерывного стана холодной прокатки на формирование основных параметров шероховатости поверхности холоднокатаной полосы, от которых зависят ее потребительские свойства и отсортировка по "слипанию" после отжига. Впервые установлено влияние основных технологических факторов на показатель количества пиков микронеровностей на единице длины профиля (средний шаг неровностей) прокатываемой полосы, характеризующий ее шероховатость наряду с высотными параметрами неровностей. Установлены диапазоны технологических и энергосиловых параметров, обеспечивающие микрогеометрию поверхности холоднокатаных листов в соответствии с требованиями международных стандартов. По результатам исследований принято решение на разработку аэродинамического классификатора, реализуюшего способ разделения дроби на фракции при помощи воздушного потока создаваемого в дробеметной установке, применяемой для насечки валков стана холодной прокатки широкой полосы.

5. Разработаны признанные изобретением новые технические решения, на основе которых выполнен рабочий проект аэродинамического классификатора сыпучего материала. Новые методика расчета и технические решения реализованы в аэродинамическом классификаторе чугунной дроби, изготовленном для применения в промышленной дробеметной установке, используемой для насечки прокатных валков.

1. А.И. Целиков, П.И. Полухин, В.М. Гребеник и др. Машины и агрегаты металлургических заводов. Том 3. Машины и агрегаты для производства и отделки проката. М. э 1988, 680 с.

2. Lenze F.J. 6-Walzen-Kaltbandwalzanlage mit horizontaler und vertikaler Walzspaltbeeinflussung. // Stahl und Eisen. 1984. 2. S. 41-48.

3. Bald W., Beisemann G., Feldmann H. and Schuttes T. Continuously variable crown (CVC) rolling. // Iron and Steel Engineer. 1987. 3. P.32-41.

4. Патент ФРГ OS 3213496, МКИ В 21 В 31/18, опубл.

5. Патент США 4.440.012, опубл. 1984.

6. Marten H.-F. New approaches in plant technology to increase quality and productivity. // MPT (Metallurgical Plant and Technology). 1986. 5. P. 39-55.

7. Fujita F., Kuwamoto H., Kizahi K. and Iwanami T. Development of a new type of cold rolling mill for sheet products. // Iron and Steel Engineer. 1985. 6. P.4148.

8. Металлургическое оборудование. Обзорная информация ЦРВИИТЭИтяж-маш. М. 1990. Сер.1 Вып.9, С. 1-24.

9. J.Adler, J.Brand, T.Lichtendahl, H.Teichert. Modernization of a four-high stand stainless and heat-resistant wide strip using UPC technology. // MPT (Metallurgical Plant and Technology). 1991. 4. P.100-115.

10. Ю.Будаква А.А., Коновалов Ю.В., Качалка З.Г. и др. Математическая модель деформации валковых узлов шести- и четырехвалковых клетей с осевым смещением валков.//Изв.вуз. Черная металлургия. 1993. 4. С.24-27.

11. П.Будаква А.А., Коновалов Ю.В., Качалка З.Г. и др. Исследование на математической модели деформации шестивалковых узлов с осевым смещением валков. // Изв. вуз. Черная металлургия. 1993. 11-12. С.30-33.161

12. Будаква A.A., Коновалов Ю.В., Качалка З.Г. и др. Исследование математической модели деформации S-образных валков с осевым смещением. // Изв. вуз. Черная металлургия. 1994. 2. С. 28-30.

13. Коцарь С.Л., Третьяков В.А., Барышев В.В., Поляков Б.А., Варшавский Е.А., Бельский С.М. Основы технологии и исполнительные механизмы беспрограммной прокатки. //Производство проката. 1999. 1. С.14-23.

14. Сафьян A.M., Приходько И.Ю. Особенности использования осевой сдвижки валков в условиях непрерывного стана кварто холодной прокатки. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1992. 1. С.23-24.

15. Сафьян A.M. Развитие теоретических основ и реализация комплексной технологии производства высокоточных полос высшей категории плоскостности: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Донецк, 1998.

16. Заявка Японии 58-56653, МКИ В 21 В 31/18, 35/14, опубл. 1983.

17. А. с. СССР 1667969 МКИ В21 ВЗ1/18,35/00, опубл. 02.06.89.

18. А. с. СССР 1773519 МКИ В21 ВЗ 1/18, опубл. 25.09.90.

19. Патент РФ 2033872 МКИ В21 В31/18, опубл. 12.02.91.21 .Патент SU 1831388 МКИ В21 В31/18, опубл. 21.06.89.

20. Матвеев Б.Н. Прогрессивная техника для производства холоднокатаной рулонной стали. //Сталь. 1995. 12. С.44-48.

21. Отделка поверхности листа /Мелешко В.И., Чекмарев А.П., Мазур B.JI. и др. М., 1975. 272 с.162

22. Цимник В., Демен В., Швих Ф. и др. Прокатка и нанесение покрытий на листы для автомобильных кузовов.// Черные металлы. 1995. 3. С.92.

23. Гарбер Э.А., Горелик П.Б., Дилигенский Е.В., Кузнецов В.В., Петров С.В. Влияние режимов холодной прокатки и микрогеометрии валков на шероховатость холоднокатаных полос. // Производство проката. 1999. 6. С.7-10.

24. Мазур В.Л., Ноговицин A.B. Коэффициент трения при холодной прокатке полос на промышленных станах.// Теория и практика производства широкополосной стали. Тематический отраслевой справочник №4. М. , 1979. С. 61-65.

25. Дойчер О. Различные способы получения заданной шероховатости холоднокатаной полосы.// Черные металлы. 1995. 7. С.33-39.

26. Бутылкина Л.И., Нагаев С.А., Рыжов В.В. Шероховатость поверхности холоднокатаных полос.// Сталь. 1970. 2. С.144-146.

27. Исследование и совершенствование технологии производства малоуглеродистой стали для глубокой вытяжки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. НИИЧермет им. И.П. Бардина./Бутылкина Л.И. М.: 1980,23 с.

28. Гарбер Э.А., Дилигенский Е.В. Основные параметры валковых узлов широкополосных станов, оснащенных системами осевой сдвижки. // Производство проката. 1998. 6. С.31-37.

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

30. Механическое оборудование цехов холодной прокатки/ Под ред. Г.Л. Химича.-М., 1972, 535 с.

31. Целиков А.И., Смирнов В.В. Прокатные станы. М., 1958, 432 с.

32. Полухин П.И., Железнов Ю.Д., Полухин С.П. Тонколистовая прокатка и служба валков. М., 1967. 388 с.

33. Профилирование валков листовых станов. / Будаква A.A., Коновалов Ю.В., Ткалич К.Н. и др. Киев, 1986, 190 с.

34. Полухин В.П., Усачев В.Г., Зиновьев A.B. Расчет прогибов и сближения осей валков станов кварто./ Известия вузов. Черная металлургия. 1974. 7. С.57-64

35. Пыженков И.А., Железнов Ю.Д., Коцарь С.А. Упругие деформации валков станов кварто. / Изв. вузов. Черная металлургия. 1974. 7. С.64-67, 9. С.108-112, 11. С.98-102

36. Ткалич К.Н., Будаква A.A., Шмаков Г.Н. и др. Определение величины и формы неравномерности износа рабочих валков толстолистовых станов. / Производство листа: Тематический отрасл. сб. 1976. 4. С.57-63

37. Дарков A.B., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. М., 1989, 624с.

38. Третьяков A.B., Гарбер Э.А., Шичков А.Н., Грачев A.B. Совершенствование теплового процесса листовой прокатки. М., 1973, 304 с.164

39. Расчеты на прочность в машиностроении. Т.2 /Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., ЛихаровК.К. и др./М., 1958, 974 с.

40. Гарбер Э.А., Гончарский A.A., Шаравин М.П. Технический прогресс систем охлаждения прокатных станов. М., 1991, 256 с.

41. Гарбер Э.А., Дилигенский Е.В. Профилирование валковых узлов широкополосных станов, оснащенных системами осевого перемещения. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1998. 9. С.41-45.

42. Гарбер Э.А., Дилигенский Е.В. Конструктивные параметры валковых узлов с осевым перемещением для широкополосных станов. // Вестник машиностроения. 1999. 3. С.14-18.

43. Белосевич В.К. Трение, смазка, теплообмен при холодной прокатке листовой стали. М., 1989, 256 с.

44. A. с. СССР 1496851, МКИВ 21 В 27/02, опубл. 18.09.87.

45. А. с. СССР 1761321, МКИ В 21 В 27/02, опубл. 02.07.90.

46. Патент СССР 1355112, МКИ В 21 В 1/22, опубл. 1987.165

47. Анурьев В.И. Справочник конструктора- машиностроителя. В 3-х т. Т.1. М., 1978,728 с.

48. Кузнецов С.А., Гарбер Э.А., Дилигенский Е.В. Методика конструирования и расчета аэродинамических сепараторов чугунной дроби в дробеметных машинах для насечки прокатных валков. // Производство проката. 1999. 12. С.

49. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. Аэродинамическая классификация порошков. М. Химия. 1989, 160 с.

50. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М., 1977, 722с.