Исследование теплового режима валков широкополосных станов горячей прокатки и его влияния на поперечный профиль горячекатаных полос

Хлопотин, Максим Викторович

автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование теплового режима валков широкополосных станов горячей прокатки и его влияния на поперечный профиль горячекатаных полос

кандидата технических наук: Хлопотин, Максим Викторович
город: Череповец
год: 2010
специальность ВАК РФ: 05.02.13

Диссертация по машиностроению и машиноведению на тему «Исследование теплового режима валков широкополосных станов горячей прокатки и его влияния на поперечный профиль горячекатаных полос»

Автореферат диссертации по теме "Исследование теплового режима валков широкополосных станов горячей прокатки и его влияния на поперечный профиль горячекатаных полос"

004603383 На правах рукописи

Хлопотин Максим Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ВАЛКОВ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА ПОПЕРЕЧНЫЙ ПРОФИЛЬ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ПОЛОС

Специальность 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (металлургическое производство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 ИЮН 2010

Череповец 2010

004603383

Работа выполнена в Череповецком государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ Гарбер Эдуард Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

Защита диссертации состоится « 28 » мая 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.01 в Череповецком государственном университете по адресу: 162600, г. Череповец Вологодской обл., пр. Луначарского, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Череповецкого государственного университета.

Автореферат разослан «27» апреля 2010 г. Ученый секретарь

доктор экономических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Шичков Александр Николаевич

- кандидат технических наук Петров Сергей Витальевич

Ведущая организация - Институт металлургии и материаловедения

им. A.A. Байкова Российской академии наук

диссертационного совета

Никонова Е.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В последние десятилетия в мировом производстве горячекатаных полос допуски на характеристики поперечного профиля уменьшились, что вызвано общей тенденцией повышения требований к качеству листового проката. Это актуально как для наиболее тонких горячекатаных полос толщиной 0,8-1,5 мм, непосредственно используемых в машиностроении и строительстве, так и для полос толщиной 1,8-3,0 мм, направляемых в качестве подката на станы холодной прокатки для производства из них автомобильных листов или другого сортамента с жёсткими требованиями к плоскостности и состоянию поверхности.

Для того, чтобы уменьшить отклонения нормируемых характеристик поперечного профиля горячекатаных полос (поперечной разнотолщинности, клиновидности, местных отклонений толщины, смещения вершины) до значений, определяемых более жесткими допусками, необходимо воздействовать на факторы, оказывающие влияние на точность формирования поперечного профиля.

Наиболее значимые из этих факторов - тепловой профиль рабочих валков (неравномерность распределения тепловых деформаций по длине бочки) и форма их исходной (шлифовочной) профилировки.

Оба этих фактора, наряду с неравномерным износом по длине бочки, искажают форму активных образующих рабочих валков, определяющую распределение толщины по ширине горячекатаных полос.

Тепловой профиль валков зависит от степени равномерности тепловыделений по ширине полосы и от эффективности их охлаждения, регулируемого по длине бочки. На многих широкополосных станах горячей прокатки (ШПСГП) система охлаждения валков стала узким местом: чем тоньше прокатываемая полоса, тем меньше доля пауз в ритме прокатки, что приводит к поступлению от полосы большего количества теплоты в валки, повышению их температуры и росту колебаний теплового профиля. Система охлаждения, не рассчитанная на прокатку тонких горячекатаных полос толщиной 0,8-1,5 мм, не в состоянии отводить от валков дополнительно поступившую теплоту, валки перегреваются и чаще выходят из строя, а неравномерность их теплового профиля по длине бочки вызывает искажения поперечного профиля горячекатаных полос: увеличение его клиновидности и несимметричности относительно оси прокатки («смещение вершины») до значений, превышающих установленные допуски.

Если горячекатаные полосы предназначены для последующей холодной прокатки, искажения их поперечного профиля, вызванные нестабильностью теплового режима валков, оказываются главной причиной ухудшения плоскостности холоднокатаных полос - одного из основных показателей их качества Таким образом, совершенствование теплового режима и систем

охлаждения валков ШПСГП - актуальная задача не только для цехов горячей прокатки, но и в целом для листопрокатного производства.

Эффективное решение этой задачи возможно на основе математической модели теплового режима валков, который, как объект управления, является сложной системой, связывающей технологические параметры (температуру полосы, обжатия, скорости, натяжения, сопротивление металла деформации, условия трения между полосой и валками, неравномерное распределение контактных напряжений по длине бочки валков), управляющие воздействия (расходы, давления и температуру охлаждающей воды, конструктивные параметры коллекторов с форсунками для подачи воды на валки, площади орошаемых водой участков бочки валков, их расположение на поверхности бочки) и выходные параметры (температуру и тепловой профиль рабочих и опорных валков, представляющий собой распределение по длине бочки тепловых деформаций (изменений диаметра) в радиальных сечениях).

Некоторые аспекты моделирования теплового режима валков ШПСГП публиковались в последние 10-15 лет, однако комплексная модель, позволяющая вычислять выходные параметры теплового режима валков современных станов в функции всех перечисленных выше технологических параметров процесса прокатки и управляющих воздействий, до сих пор отсутствовала. Это объясняется сложностью задачи и необходимостью выполнять промышленные исследования на крупном, высокопроизводительном металлургическом оборудовании, где крайне ограничены возможности для научных экспериментов. Кроме того, в последние годы на ряде крупных российских ШПСГП в результате реконструкции изменились параметры систем охлаждения валков: увеличились давление охлаждающей воды, её расход и плотность облива поверхности бочки, изменилась конструкция коллекторов и форсунок. Данные об эффективности теплоотвода от валков с помощью новых узлов систем охлаждения отсутствовали, что затрудняло их эффективную эксплуатацию.

Существенное влияние на качество поперечного профиля оказывает и форма исходной шлифовочной профилировки рабочих валков. На большинстве ШПСГП при выполнении на вальцешлифовальных станках профиля валков регламентируют только величину вогнутости или выпуклости в середине бочки, а к профилировочной кривой предъявляют только требование плавности. При этом не учитывают, что из-за различия форм кривых упругой и тепловой деформации возникает неравномерность контактных давлений по длине бочки, вызывающая неравномерность её износа. Как следствие, это приводит к местным искажениям поперечного профиля горячекатаных полос. Необходимость учета этого фактора при профилировании валков отмечали специалисты в 70*-80х годах 20 века. Ужесточение требований к точности выполнения поперечного профиля повысило актуальность совершенствования профилировок валков.

Таким образом, обеспечение конкурентоспособности отечественного листопрокатного производства на мировом рынке черных металлов во многом

зависит от совершенствования теплового режима валков ШПСГП, их теплового профиля и шлифовочной профилировки.

Цель работы - повышение точности формирования нормируемых показателей поперечного профиля горячекатаных полос, путём воздействия на тепловой и шлифовочный профиль валков ШПСГП.

Основными задачами работы являлись: разработка, реализация и исследование усовершенствованной математической модели теплового режима и охлаждения валков ШПСГП, устраняющей недостатки известных моделей;

- разработка и реализация алгоритма адаптации математической модели теплового режима и охлаждения валков к условиям действующего ШПСГП;

- исследование с помощью разработанной модели теплового режима валков ШПСГП для получения достоверных значений теплофизических коэффициентов, характеризующих теплообмен валков в условиях современных ШПСГП, диапазонов давлений охладителя 10-15 ати и его удельных расходов 200-300 м3/(ч-м2);

- вывод регрессионных уравнений для вычисления теплофизических коэффициентов;

- исследование и моделирование процесса формирования поперечного профиля горячекатаных полос в функции теплового режима валков и других факторов технологии;

- усовершенствование метода шлифовочного профилирования рабочих валков ШПСГП путём учета несоответствия формы кривых упругих деформаций и теплового профиля.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1. Разработана усовершенствованная математическая модель теплового режима и охлаждения валков ШПСГП, отличающаяся от известных моделей тем, что расчёт средней температуры рабочих валков производится в функции основных факторов технологического процесса (температуры полосы и длины очага деформации), условий охлаждения бочки (температуры охлаждающей воды, углов установки проводок-водоотсекателей, площади бочки, на которую подаётся охлаждение) и управляющих воздействий параметров системы охлаждения (расход и давление охладителя) с учётом изменения температурного поля в активном поверхностном слое рабочего валка в зависимости от параметров режима охлаждения. В модель введён новый параметр - коэффициент эффективности конвективного теплообмена, определяющий минимальную осесимметричную температуру на границе между активным поверхностным слоем и основной зоной рабочего валка.

2. Впервые получены достоверные значения теплофизических коэффициентов, характеризующих теплопередачу, контактный и конвективный теплообмен в системе «полоса - рабочие валки - опорные валки - охладитель» в условиях современных ШПСГП, диапазонов давлений

охладителя 10-15 ати и его удельных расходов 200-300 м3/(ч-м2), а также регрессионные уравнения для вычисления этих коэффициентов.

3. Разработана и реализована новая методика адаптации модели п.1 к параметрам технологии и оборудования действующего ШПСГП, отличающаяся тем, что коэффициент теплоотдачи от полосы к рабочим валкам путём контактного теплообмена, коэффициент теплоотдачи от рабочих валков к охладителю (воде) путём конвективного теплообмена и коэффициент, учитывающий перепад температуры в слое окалины на поверхности полосы в очаге деформации, определяются по фактическим, измеренным на стане, значениям температуры рабочих валков, температуры воды, подаваемой на валки, сливаемой с валков и с рабочей клети в циркуляционную систему, температуры окружающей среды; расхода воды, подаваемой на рабочие и опорные валки, средней температуры полосы в клети, а также параметров режима прокатки (обжатий, скоростей, натяжений полосы, ритма прокатки).

4. Впервые разработана математическая модель, определяющая взаимосвязь между параметрами теплового режима и профиля валков (с учётом износа) и характеристиками поперечного профиля прокатываемых полос, отличающаяся тем, что клиновидность, поперечная выпуклость и смещение вершины готовой полосы рассчитываются по регрессионным зависимостям от неравномерности по длине бочки валков их износа, теплового и шлифовочного профиля, параметров поперечного профиля подката и колебаний его температуры, массы прокатанного на валках металла.

Достоверность новых научных результатов подтверждена экспериментальными данными и статистическим анализом:

- средняя погрешность расчётов с помощью новой математической модели теплового режима составила 5,3%;

регрессионные уравнения положительно оценены по коэффициентам множественной корреляции, остаточной дисперсии и t• критерию Стьюдента.

Практическая значимость результатов работы

1. Определены и исследованы эффективные диапазоны параметров системы охлаждения валков ШПСГП при прокатке полос толщиной 0,8-1,2 мм.

2. Определены и исследованы наиболее существенные факторы, обеспечивающие улучшение поперечного профиля полос за счет стабилизации теплового профиля валков ШПСГП:

- уменьшение температуры в середине бочки, поддержание давления охладителя в диапазоне 13-14 ати, плотности облива поверхности бочки 220230 м3/(ч-м2);

- уменьшение температуры охладителя, перераспределение его расхода между клетями и рациональное его распределение между входной и выходной сторонами рабочей клети;

- уменьшение углов установки в рабочей клети проводок-водоотсекателей;

- уменьшение сроков межперевалочной кампании рабочих валков;

3. Разработана методика определения средней температуры валков ШПСГП, включающая её адаптацию к условиям конкретного стана.

4. Представлены достоверные регрессионные уравнения для прогнозирования показателей поперечного профиля готовых полос на действующем ШПСГП.

5. В результате исследования процесса формирования активной образующей и закономерностей износа рабочих валков разработана и успешно испытана новая усовершенствованная шлифовочная профилировка валков.

Применение новых научных результатов

Испытания усовершенствованной станочной профилировки валков, проведённые на ШПСГП 2000, показали, что новые профилировки обеспечили существенно более равномерный износ по длине бочки валков, уменьшили или исключили участки с повышенным местным износом, а горячекатаные полосы, прокатанные в валках с новой профилировкой в 1012 клетях, имели существенно меньшие отклонения поперечного профиля от норм стандарта предприятия.

В результате совершенствования теплового режима и охлаждения валков ШПСГП с помощью разработанной модели уменьшился процент отсортировки по неплоскостности холоднокатаных полос с исходного уровня 0,25% до уровня 0,12% в условиях ЧерМК.

Для ОАО «Северсталь» и ОАО «ММК» разработана методика определения средней температуры валков ШПСГП в виде программного обеспечения ЭВМ. Результаты работы использованы фирмой «АСК» («Автоматизированные системы и комплексы» г. Екатеринбург) при разработке проекта реконструкции системы охлаждения рабочих валков ШПСГП «2000» ОАО «ММК», а в ОАО «Северсталь» - при оптимизации работы реконструированной системы охлаждения ШПСГП «2000».

По материалам работы был выигран грант по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 год», на основании чего исследования выполнялись по Контракту № П2113 от 05.11.09, заключённому между Федеральным агентством по образованию и ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Технологии и оборудование для прокатного производства» (г. Москва) в феврале 2009 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ; подготовлена заявка на патент Российской Федерации №2008105240/02, положительное решение от 02.02.2009.

Работа выполнялась в ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» в период с 2006 г. по 2009 г.

Экспериментальные исследования проводились на ШПСГП 2000 ЧерМК ОАО «Северсталь».

Объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 70 наименований. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 25 рисунков и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая значимость, представлено применение новых научных результатов, приведены результаты апробации и реализации теоретических и практических исследований.

В первой главе дается описание закономерностей формирования поперечного профиля горячекатаных полос и факторов, влияющих на его качество. Наиболее значимые из этих факторов - тепловой профиль рабочих валков (неравномерность распределения тепловых деформаций по длине бочки) и форма их исходной (шлифовочной) профилировки. Основными нормируемыми характеристиками поперечного профиля, определяющими качество полос на современных ШПСГП, являются:

поперечная разнотолщинность (выпуклость профиля), представляющая собой разность толщины в середине и полусуммы контролируемых толщин вблизи левой и правой боковых кромок;

- клиновидность - разность контролируемых толщин левой и правой

кромок;

- смещение вершины - расстояние от сечения, в котором толщина максимальна, до сечения, расположенного в середине ширины полосы.

Сопоставление мировых и российских стандартов показало, что на Череповецком металлургическом комбинате установлены наиболее узкие допуски на характеристики поперечного профиля, с использованием которых проводились исследования в данной работе.

Чтобы эти характеристики не выходили за пределы допусков, необходимо знать механизм их образования, факторы технологии, приводящие к их появлению, а также управляющие воздействия, направленные на минимизацию геометрических дефектов поперечного профиля. Для

прогнозирования поперечного профиля необходимы достоверные математические модели его формирования.

Анализ известных методов моделирования взаимосвязи поперечного профиля горячекатаных полос с параметрами подката, тепловым профилем, шлифовочной профилировкой, упругими деформациями и износом валков ШПСГП показал, что достоверная и комплексная математическая модель формирования поперечного профиля прокатываемых полос в функции основных возмущающих факторов технологии и управляющих воздействий отсутствовала. Известные методики определяли зависимости поперечного профиля лишь от некоторых факторов, в основном, от износа валков.

Определены два основных перспективных направления, способствующих улучшению показателей поперечного профиля горячекатаных полос, - стабилизация теплового профиля рабочих валков и совершенствование их шлифовочной профилировки. Показано, что для стабилизации теплового профиля валков необходимо выполнить математическое моделирование тепловых процессов, протекающих в прокатной клети.

Выполнен анализ известных математических моделей теплового режима и теплового профиля валков ШПСГП, разработанных во 2й половине 20 в. A.B. Третьяковым, А.Н. Шичковым, Э.А. Гарбером, A.B. Грачевым, В.Н. Хлопониным, М.Я. Бровманом, АЛ. Каневским, И.Ю. Приходько, М.А. Тылкиным, П.И. Полухиным, Н.И. Яловым и другими учёными.

Обоснована необходимость развития и совершенствования этих моделей в связи с большими изменениями, которые произошли в конце 20 в и в начале 21 в в сортаменте ШПСГП, их технологии, в конструкции систем охлаждения их валков. Главные из этих изменений:

- увеличение в сортаменте доли тонких и особо тонких полос, в том числе - имеющих толщину 0,8-1,5 мм, ранее производимых только на станах холодной прокатки, в результате чего существенно возросли силовые и тепловые нагрузки на валки;

оснащение рабочих клетей чистовых групп ШПСГП оборудованием и системами подачи технологической смазки, повлиявшее на интенсивность теплообмена валков, полосы и охлаждающей воды;

- реконструкция систем охлаждения валков ряда крупнейших ШПСГП, включавшая существенное повышение давлений воды (с 3-8 ати до 10-15 ати), плотности облива поверхности бочек валков (со 150-200 м3/(ч-м2) до 200-300 м3/(ч-м2)), изменение конструкции коллекторов и форсунок для подачи воды на валки.

Указанные изменения не могли быть учтены в известных моделях, поэтому их использование для повышения эффективности охлаждения валков и для стабилизации их теплового профиля было затруднено, в том

числе - из-за отсутствия данных о новых значениях теплофизических коэффициентов, характеризующих интенсивность теплообмена в системе «полоса - валки - охладитель».

Получить эти данные в лабораторных условиях, на натурных моделях валковых узлов не представлялось возможным из-за невозможности воссоздать в лабораториях температурно-деформационные условия, имеющие место в рабочих клетях действующих ШПСГП.

Поскольку качество поперечного профиля горячекатаных полос зависит и от шлифовочной профилировки рабочих валков, проанализированы известные способы шлифовочного профилирования. Установлено, что в большинстве современных листопрокатных цехов при выполнении шлифовочного профиля рабочих валков не учитывают различие формы кривых упругих деформаций валков и их теплового профиля, хотя целесообразность учета этого фактора была обоснована в 70х - 80* годах в работах российских учёных.

Повышение требований к точности выполнения поперечного профиля горячекатаных полос привело к необходимости вновь вернуться к проблеме совершенствования методов шлифовочного профилирования валков ШПСГП.

На основании выполненного анализа сформулированы следующие задачи работы:

- статистические исследования взаимосвязи между нестабильностью параметров технологического процесса ШПСГП и отклонениями нормируемых характеристик поперечного профиля горячекатаных полос от допускаемых значений;

- исследование влияния нестабильных факторов технологического процесса ШПСГП на искажения тепловой и шлифовочной составляющих профиля валков, вызывающие их неравномерный износ по длине бочки;

- разработка и исследование усовершенствованной математической модели теплового режима и охлаждения валков ШПСГП, устраняющей недостатки известных моделей;

- разработка и реализация алгоритма адаптации математической модели теплового режима и охлаждения валков к условиям действующего ШПСГП;

- исследование с помощью разработанной модели теплового режима валков ШПСГП для получения достоверных значений теплофизических коэффициентов, характеризующих теплообмен валков в условиях современных ШПСГП, диапазонов давлений охладителя 10-15 ати и его удельных расходов 200-300 м3/(ч м2);

- вывод регрессионных уравнений для вычисления теплофизических коэффициентов;

- усовершенствование метода шлифовочного профилирования рабочих валков ШПСГП путём учета несоответствия формы кривых упругих деформаций и теплового профиля.

Во второй главе изложены результаты статистических исследований на стане «2000» Череповецкого металлургического комбината влияния на показатели поперечного профиля горячекатаных полос теплового профиля валков, других возмущающих факторов технологии (дефектов поперечного профиля раската, возникших при прокатке в черновой группе клетей; колебаний толщины и температуры по длине раската перед чистовой фуппой; неравномерного износа по длине бочки рабочих валков в чистовых клетях) и недостаточно эффективных управляющих воздействий (неоптимальной формы кривой шлифовочного профиля бочки валков; неточного выбора величины шлифовочной выпуклости (вогнутости) бочки; неплавного и неэффективного охлаждения по длине бочки валков; перекоса нажимных устройств).

Для исследований собраны и систематизированы данные измерений показателей толщины и поперечного профиля 240 горячекатаных полос из 17 марок стали, диапазона толщин от 1,5 мм до 12 мм, ширин от 950 мм до 1850 мм, а также перечисленных факторов технологии и управляющих воздействий.

При выполнении статистической обработки всех данных в качестве независимых переменных вводились количественные значения дестабилизирующих факторов технологии, а в качестве зависящих от них величин - численные характеристики показателей поперечного профиля готовых горячекатаных полос. В качестве характеристик дефектов поперечного профиля в регрессионных уравнениях приняты не их абсолютные величины, а максимальные колебания (перепады) по длине прокатываемой полосы, т.к. нестабильность возмущающих факторов технологии приводит, главным образом, к колебаниям геометрических характеристик поперечного профиля в пределах каждой полосы. Зависимости этих перепадов от значимых факторов технологии получены в виде следующих регрессионных уравнений:

а) максимальные колебания клиновидности:

Д Ä7 = 0,0007 • ^^--0,0063 • Шпоп + 0,008 • АНпт'< +

^H/CI MIN ^ ПОП MIN AHnrO.lMIN

+ 0,51--^- + 0,014- —+ 0,00053- *S"-CF ? (О

in.wN GMM ASnCpMIN

б) максимальные колебания поперечной разнотолщинности:

Дяоя =0,245.-^ + 0,007--^-; (2)

П-KllN ^MIN

в) максимальные колебания смещения вершины:

Асд = 28,6 + 0,14-—^— + 0,177- Шкл ? (3)

*оп.шн ЗНклмт

где 8НЮ], Ж„оп, АНПР0Д - максимальные значения клиновидности,

поперечной и продольной разнотолщинности раската после черновой группы клетей (подката для чистовой группы), мм;

01 мм' ЗНП0ПМШ= 0,1 мм, АНПЮДМШ =0,5 мм -

минимальные значения клиновидности, поперечной и продольной разнотолщинности раската;

Д/я - максимальный перепад температур по длине полосы - раската после черновой группы клетей, °С;

tп мм =1000 °С - минимальная температура полосы;

О - масса металла, прокатанного за одну межперевалочную кампанию рабочих валков, т;

Омш =1000 т - минимальная масса металла;

ср - среднее значение неравномерности износа рабочих валков, мм;

АБИ СРМШ - 0,025 мм - минимальное значение неравномерности износа рабочих валков;

топ - время, прошедшее после установки в клеть опорных валков, ч;

топ мш=\ ч - минимальное значение этого времени.

Статистическими методами проверена достоверность регрессионных уравнений (1), (2), (3) определены показатели значимости входящих в них факторов с помощью (-критерия Стьюдента.

Из структуры регрессионных уравнений видно, что из всех факторов технологии, которые могут оказать влияние на искажения поперечного профиля горячекатаных полос, значимое влияние в условиях ШПСГП 2000 оказывают:

- на клиновидность: клиновидность раската перед чистовой группой, его поперечная и продольная разнотолщинность, колебания температуры по его длине, а также масса металла, прокатанного за межперевалочную кампанию рабочих валков (она косвенно характеризует их износ) и неравномерность износа по длине их бочки;

- на поперечную разното.щннность: колебания температуры по длине полос перед чистовой группой и масса металла, прокатанного за межперевалочную кампанию рабочих валков, которая косвенно связана с неравномерностью износа;

- на смещение вершины: время, прошедшее после перевалки опорных валков (косвенно характеризует величину и неравномерность износа рабочих валков) и клиновидность раската после черновой группы.

Неравномерность износа в явном или косвенном виде входит во все регрессионные зависимости, что показывает важнейшую роль данного фактора в процессе формирования поперечного профиля горячекатаных полос. Величина и неравномерность износа, в свою очередь, определяются тепловым профилем валков и его неравномерностью, их шлифовочной профилировкой и некоторыми другими факторами. Поэтому данная работа посвящена детальному исследованию теплового режима валков ШПСГП и его влияния на поперечный профиль полос, а также изучению влияния на поперечный профиль шлифовочного профилирования валков.

Для более глубокого изучения влияния профиля рабочих валков на искажения поперечного профиля полос на ШПСГП 2000 были проведены измерения профиля 55 валков по длине бочки в разные моменты их эксплуатации, и установлено, что большинство валков имеют неравномерный тепловой профиль, следствием этого является неравномерный износ по длине их бочки.

С помощью регрессионных уравнений определены мероприятия, улучшающие качество поперечного профиля горячекатаных полос. Наиболее существенные из них:

- улучшение эффективности и равномерности охлаждения валков в чистовой группе клетей путём оптимизации конструкции и режимов работы системы охлаждения;

- изменение шлифовочных профилировок рабочих валков для компенсации несоответствия формы кривых теплового профиля и упругих деформаций;

- сокращение объёма межперевалочной кампании рабочих валков чистовой группы с 3500-4500 до 2000-2100 т. На момент начала выполнения работы в 2006-2007 гг. объём межперевалочной кампании составлял 35004500 т., а в 2009 г., с учётом результатов данной работы, его снизили до 1500-2500 т, при этом было отмечено улучшение качества поперечного профиля прокатанных полос.

В третьей главе изложена усовершенствованная математическая модель теплового режима валков и их охлаждения в рабочих клетях чистовой группы ШПСГП. В качестве базовой принята математическая модель, основные положения которой разработаны А.Н.Шичковым,

Э.А.Гарбером и С.В.Петровым. Сущность базовой модели заключается в следующем.

Валок условно разделён при моделировании его теплового режима на две зоны: основную, занимающую 94-95 % площади поперечного сечения (в ней температурное поле симметрично относительно оси вращения) и тонкий активный поверхностный слой протяжённостью 2-3 % от радиуса бочки, в котором происходят циклические колебания температуры от

минимального значения (в зоне охлаждения) до максимального

значения (в зоне контакта валка с прокатываемой полосой).

Тепловой профиль бочки валка и его изменения во время прокатки зависят от температурного поля основной зоны. Поскольку теплообмен основной зоны валков с полосой и водой происходит через активный поверхностный слой, его среднеинтегральная температура может рассматриваться как граничное условие первого рода для основной зоны. Схематизированный график изменения температуры в активном слое в функции угла поворота ф показан на рис.1.

Рис. 1 - Схема распределения температуры по поверхности бочки рабочего валка в радиальной плоскости: фх - угол захвата, (рг, - углы установки проводок-водоотсекателей, (ръ - угол охлаждаемой части рабочего валка

Минимальная температура поверхности в базовой методике принята равной температуре подаваемой воды:

^ЛПШ ^пх I I

Выполненный анализ экспериментальных и расчётных данных показал, что выражение (4) справедливо только для поверхности бочки валка, являющейся наружной границей активного слоя. Использование этого выражения в качестве граничного условия для основной зоны валка приводит к значительным погрешностям при расчёте температурного поля рабочих валков. Это поясняет показанный на рис. 2 график распределения температур в радиальном сечении бочки на охлаждаемом водой участке (в пределах угла <ръ на рис. 1).

охлаждаемом водой: 1 - активный слой, 2 - основная зона, 3 - охлаждающий коллектор с форсунками

Резкое охлаждение поверхности при переходе её от неохлаждаемой зоны к охлаждаемой водой зоне (на границе углов (р2 и <ръ, согласно схеме

рис. 1), вызывает значительный перепад температуры по толщине активного слоя и внешних слоёв основной зоны, как это показано на рис. 2. В результате в пределах угла (ръ минимальная температура на наружной границе основной зоны становится больше, чем на поверхности бочки валка.

Поэтому, вместо выражения (4), для температуры /(ИШ в пределах угла (ръ в нашей методике, в отличие от базовой, принято следующее выражение:

где ка> 1 - введенный нами коэффициент (один из параметров адаптации

модели теплового режима), названный «коэффициентом эффективности конвективного теплообмена».

Чтобы приближенно определить среднее значение температуры на

поверхности основной зоны / , которое при установившемся тепловом

режиме равно среднеинтегральной (среднемассовой) температуре (р всего

поперечного сечения бочки валка, составлено и решено уравнение теплового баланса активного поверхностного слоя бочки валка за один оборот, из которого получено выражение:

где (п - средняя температура полосы в очаге деформации,;

к< 1 - коэффициент, учитывающий термическое сопротивление в слое окалины, разделяющем поверхности полосы и валков в очаге деформации; (рх, (рг, <рА, (ръ - углы захвата, установки проводок, охлаждаемой части бочки, рад.

С учётом охлаждения во время пауз среднюю температуру рабочего валка можно приближенно определить из выражения:

где X ч и хп - машинное время и время пауз в цикле прокатки каждого рулона.

Достоинство данной модели заключается в том, что с помощью одной формулы (6) можно анализировать влияние на тепловой режим рабочих валков основных факторов технологического процесса

(температуры полосы ¡п и длины очага деформации, характеризуемого углом и условий охлаждения бочки (температуры охлаждающей воды /„Х1,, углов установки проводок-водоотсекателей (р2,(рА, площади бочки,

(5)

(6)

при этом <рх + (р2 + (ръ + = 2л-

на которую подаётся охлаждение, характеризуемой углом <р}).

Наиболее существенный недостаток базовой модели состоит в том, что она не в полной мере учитывает факторы, характеризующие управляющее воздействие на тепловой режим валков со стороны системы охлаждения.

Чтобы учесть теплообмен между рабочими, опорными валками, охлаждающей жидкостью и окружающей средой, описанная выше модель дополнена моделью теплового баланса узла рабочих и опорных валков, в основу которой положено решение системы двух уравнений.

-0^=01 (8) -0о,,оп -<2тр.оп. =0- (9)

где ()р - количество теплоты, поступившей в рабочий валок от

полосы путём контактного и - частично - лучистого теплообмена; р и Оохл'р ' количества теплоты, отведённой от рабочего валка охладителем

соответственно с входной и выходной сторон рабочей клети; Qm -количество теплоты, переданной от рабочего валка к опорному путём контактного теплообмена; Q0Xlun - количество теплоты, отведённой от опорного валка охладителем; 0окроп - количество теплоты, отданной

опорным валком в окружающую среду.

После преобразований выражений (8), (9) получено решение

относительно искомых температур рабочих и опорных валков Iр и /ол :

, Р, В,-0, -В, , 00)

" А, Вг-Лг В, " ,1, В, -А, В,

Коэффициенты Ах ...1)2 зависимостей (10) выражены через параметры рабочей клети и режима прокатки: Ор , (диаметры рабочего и опорного валков), 1С (длину очага деформации), Ьоп (ширину площадки контакта между валками), /„ (среднюю температуру полосы), углы <р2 , (рА , (рь (угол охлаждаемой части опорного валка), температуры охлаждающей воды и окружающей среды /ОХ1,, (пкр , коэффициенты теплоотдачи акт р , ССктоп (контактным теплообменом рабочего валка с полосой, с опорным валком), СС)р , С("рх', аХоп , аокр оп (конвективным теплообменом рабочего

17

валка с охладителем на входной и выходной сторонах клети, опорного валка с охладителем и воздухом):

4 I Я" ~ г* „вх. , Я — (Р2 ^ „вых. , „ ^

4 = "ш.р. ■ 1с + —2--°р -а\р + —--°р • «1 р + "•ап.оп. ■ °оп >

А1 =-<Х*т.,т/Ь„п.> В, =-актт -Ьт,

в2 = у •А,„ • ог,„„ + аЯЛ ■ ¿V + (2л- - <р,) ■ • <*„„„„„, (11)

п -а -1-1 \ 71'У* п -а" н-^'^.Л •а"'11-/ .

и\ ат.р. 'с 'п. + 2 />• 'Р- "«I 2 р р "

Таким образом, математическая модель теплового баланса узла рабочих и опорных валков позволяет по известным конструктивным параметрам стана, системы охлаждения, технологическим параметрам процесса прокатки рассчитать средние по сечению температуры рабочего и опорного валков.

Однако, она не учитывает передачу тепла от полосы к валкам лучистым теплообменом, количество которого зависит от углов установки проводок-водоотсекателей, а также ритм прокатки.

Соединение модели (6), (7) и модели (10), (11) в единый алгоритм осуществлено с помощью вновь введенного коэффициента эффективности

конвективного теплообмена рабочих валков ка (см. выражения (5), (6)),

который может быть вычислен по формуле:

(13)

Полученная таким образом усовершенствованная модель теплового режима позволяет решать задачи оптимизации теплового режима и системы охлаждения валков в рабочих клетях ШПСГП.

В четвертой главе изложена разработанная нами процедура адаптации модели теплового режима валков к условиям работы конкретного стана, предусматривающая определение теплофизических коэффициентов

а\р.' акт.р.> к ' К-

Статистическая обработка экспериментальных данных, полученных на ШПСГП «2000», позволила получить достоверные регрессионные уравнения для вычисления теплофизических коэффициентов.

Коэффициент теплоотдачи конвективным теплообменом от рабочих валков к охладителю равен, Вт/(м2-град):

V о а.„ =1050-—^ + 21100- —

V р

ШШ Г П11П

-100'

( V Л 2 ( \ 2

-7100- -14590

\ ^ тт , ч, Ртт

(14)

где уп - плотность облива - удельный расход охладителя, подаваемого на единицу площади бочки валка в единицу времени, м3/(ч-м2); рпи - давление охладителя в системе охлаждения, ати; Утп = 50 м3/(ч-м2) -минимальная плотность облива; рт;„=10 ати - минимальное давление в системе охлаждения.

Уравнение (14) впервые позволяет определять а[р в диапазонах плотностей облива 50-300 м3/(ч-м2) и давлений охладителя 10-15 бар (рис.3).

Рис. 3 - Зависимости аХр от плотности облива для форсунок «Спрейинг

Системе» при давлениях 11 бар (2), 12 бар (3), 13 бар (4), 14 (5) и 15 бар (6) и для форсунок «Лехлер» при давлениях 2-3 бара (1)

Сделан вывод, что увеличение диапазона давлений с 2-3 ати до 1015 ати обеспечивает повышение максимальных значений аХр с 2300 до

3900 Вт/(м2-град), при этом интенсивность отвода теплоты от валков в наибольшей степени возрастает при увеличении давления до 13 ати и плотности облива поверхности бочки до 220-230 м3/(ч-м2).

Коэффициент теплоотдачи контактным теплообменом рабочих валков с полосой равен:

( „ л

=56600- --14900' Вт/(м -град) (15)

у Рср.МНН ,

где р - среднее контактное напряжение в очаге деформации, р = 200 МПа - его минимальное значение.

rcp.MUH

Коэффициент, учитывающий термическое сопротивление в слое окалины, равен:

к = 1,3 ■

(t 1 * п + 0,018- г \ Рср

\Jn.6a-3 ,

К Рср. min j

-1,017' (16)

где б,„ = Ю00 °С - базисная температура полосы. Установлена и исследована нелинейная зависимость коэффициента эффективности конвективного теплообмена ка от величин а]р . Анализ данной зависимости показал, что чем эффективнее конвективный теплообмен (чем больше значение аХр ), тем меньше коэффициент ка.

Максимальные значения ка соответствуют клети №7 ШПСГП «2000», в

которой валки испытывают самую большую тепловую нагрузку и имеют максимальную температуру. Минимальные значения соответствуют последней клети. При уменьшении температуры охладителя диапазон

изменения коэффициента ка увеличивается, поэтому повышается

эффективность конвективного теплообмена охладителя с валками.

В пятой главе представлены результаты разработки и испытаний новой шлифовочной профилировки рабочих валков. Теоретическая форма кривой теплового профиля рабочего валка существенно отличается от формы кривой его упругой деформации. Как видно из рис. 4, кривая теоретического теплового профиля 1 имеет форму, отличную от параболы 2. Тепловой профиль имеет в средней части бочки, длина которой примерно равна 2/3 ширины «В» прокатываемой полосы, прямолинейную форму, которая при приближении к концам рабочего участка бочки сменяется криволинейной формой.

Исходный (шлифовочный) профиль выполняют на большинстве станов по плавной кривой 3 (на рис. 4 шлифовочный профиль показан вогнутым), которая по форме близка к параболе. При прокатке под действием усилия пластической деформации происходит упругая деформация валка, изменяющая его профиль, причём, согласно теории упругости, форма кривой 4 упругой деформации валка является параболической. Окончательный профиль - активная образующая валка 5 -представляет собой суперпозицию кривых теплового профиля 1, исходного шлифовочного профиля 3 и упругой деформации 4.

шлифовочный профиль; 4 - кривая упругой деформации; 5 - активная образующая; 6 - выступы на активной образующей 5

Из-за отличия формы кривой 1 от параболы активная образующая 5, по которой бочка валка контактирует с прокатываемой полосой, имеет характерные выступы 6 на прикромочных участках бочки. Расстояние между вершинами этих выступов на 25-35% меньше ширины полосы. Они вызывают повышенные контактные напряжения из-за увеличенного местного упругого сплющивания поверхностного слоя бочки и - как следствие - увеличенный местный износ валков и искажения поперечного профиля полосы.

Смысл новой профилировки 7 заключается в том, чтобы, не изменяя максимальной величины вогнутости в середине бочки, выполнить дополнительные углубления на её рабочем участке, расположенные зеркально по отношению к соответствующим выпуклостям кривой теплового профиля 1 относительно параболы 2. Форма шлифовочной кривой на нерабочих участках бочки была несколько изменена в противоположную сторону, чтобы скомпенсировать впадины на активной образующей за пределами ширины полосы. С учётом новой профилировки 7 активная образующая будет иметь форму кривой 8. Поскольку новая шлифовочная кривая и кривая теплового профиля имеют зеркальные отклонения от параболических кривых, их суперпозиция совместно с кривой упругих деформаций позволяет существенно уменьшить показанные на рис. 4 выпуклые участки 6 активной образующей 5 и тем самым обеспечить более равномерное распределение контактных напряжений по ширине полосы в очаге деформации.

Эффективность новых профилировок оценивали при испытаниях путём сравнения неравномерности износа по длине бочки (табл. 1) и характеристик поперечного профиля горячекатаных полос (табл. 2), прокатанных в валках с обычной и новой профилировками.

Таблица 1

Сопоставление показателей износа рабочих валков чистовых клетей стана «2000», отшлифованных по новым и обычным профилировкам

Показатель Процент от общего числа валков

с обычной профилировкой с новой профилировкой

Общая неравномерность износа по длине бочки 75 7

Наличие участков с повышенным износом,симметричных относительно середины бочки 59 7

Наличие участков с повышенным износом, несимметричных относительно середины бочки (их максимальная глубина) 100 (0,68 мм) 21 (0,56 мм)

Таблица 2

Характеристики поперечного профиля горячекатаных полос толщиной до _2,5 мм_

Показатель Среднее значение показателя после прокатки, мм

в валках с обычной профилировкой в валках с новой профилировкой

Клиновидность 0,017 0,01

Выпуклость(поперечная разнотолщинность) 0,083 0,06

Смещение вершины 49,1 16,3

В качестве показателя общей неравномерности износа валков приняли разность между максимальным и минимальным местным износом по длине бочки. Если эта разность была больше 0,035 мм, считали, что валок

имеет общий неравномерный износ. Всего было обследовано более 30 валков.

Из таблиц 1 и 2 видно, что при использовании новой профилировки показатели неравномерности износа рабочих валков уменьшились в 5-10 раз по сравнению с обычной профилировкой, а показатели (дефекты) поперечного профиля горячекатаных полос снизились в 1,4-3 раза.

В шестой главе представлены разработка и испытания способов и устройств, улучшающих тепловой режим и повышающих эффективность охлаждения валков ШПСГП.

Для этого было исследовано с помощью разработанной модели теплового режима влияние на уровень температуры рабочих валков основных управляющих воздействий и дестабилизирующих факторов технологии: расхода (плотности облива) и давления охлаждающей воды, её температуры, температуры полосы и углов установки проводок-водоотсекателей (рис. 5).

90 ■

<5 80

£ 2 5 о

70

60

50

80 -

? I

п» «э а) я 70 i £ I а s

|2?60 о а

20

25

30

35

температура охладителя,

40 "С

50

20 25

30 35 40 угол ф2, град

45

Рис. 5 - Зависимость средней температуры рабочих валков: от плотности облива бочки при разных давлениях воды: 11 ати (1), 12 ати (2), 13 ати (3), 14 ати (4), 15 ати (5); от давления воды при плотностях облива 150 м3/(час-м2) (6) и 225 м3/(час-м2) (7); от температуры охлаждающей воды: при времени пауз 7 сек. (8) и 25 сек. (9); от угла <р2 установки проводки-водоотсекателя: при температуре воды 35 °С (10) и 25 °С (11)

Как видно из графиков рис. 5, регулированием расхода и давления охладителя можно эффективно воздействовать на температуру рабочих валков в диапазоне плотностей облива 100-225 м3/(ч-м2) и давлений 11-14 ати. Передаточные коэффициенты этого воздействия различные в разных диапазонах. Так, в диапазоне плотностей облива 100-150 м3/(ч-м2) и максимальном давлении в системе передаточный коэффициент равен 5 м3/(ч-м2) на каждый градус температуры валка; а в диапазоне плотностей 200-225 м3/(ч-м2) для изменения температуры валка на 1 °С требуется в 3,5 раза большее изменение расхода: 17 м3/(ч-м2).

Эффективное воздействие на температуру валков оказывают

температура охладителя и угол (р2 установки проводки-водоотсекателя. Как видно из рис. 5, при уменьшении температуры воды на 1 °С температура валков снижается на 1-1,2 °С, а при уменьшении угла (рг на 5° температура валка снижается на 4,5 °С.

Разработаны мероприятия, повысившие эффективность охлаждения валков, снизившие уровень их температур в чистовой группе клетей ШПСГП «2000» ЧерМК:

- перераспределение расходов охладителя между клетями: увеличение плотности облива до 220-230 м3/(ч-м2) в 6-й и 7-й клетях, где температура валков наиболее высокая, за счёт уменьшения избыточной плотности облива 270-295 м3/(ч-м2) в 8-й клети;

- эксплуатация системы охлаждения валков в оптимальном диапазоне давлений 13-14 ати;

- уменьшение температуры охлаждающей воды до уровня 25-27 °С за счёт повышения эффективности её охлаждения в градирнях циркуляционной системы;

- рациональное распределение расходов охладителя между входной и выходной сторонами бочки рабочих валков, обеспечивающее максимально возможный отвод теплоты от валков в каждой рабочей клети;

- уменьшение углов установки проводок-водоотсекателей в тех рабочих клетях, где это позволяет конструкция узла станин.

На большинстве ШПСГП получили распространение бессекционные коллекторы с одинаковыми по длине коллектора форсунками, либо с дифференцированной подачей, уменьшающейся от середины бочки к её краям. Использование таких коллекторов приводит к формированию кривой теплового профиля, представленной на рис. 4, вызывающей искажения поперечного профиля полос. Чтобы устранить эти искажения, разработана новая конструкция коллектора системы охлаждения бочки валков, позволяющая компенсировать несоответствие форм кривых теплового профиля и упругих деформаций без изменения шлифовочной профилировки.

Суть новой конструкции заключается в том, что в местах с повышенными контактными напряжениями в прикромочных участках 6

бочки валка (рис. 4) увеличена интенсивность охлаждения по сравнению с существующими конструкциями коллекторов, что снижает температуру валка на этих участках и, следовательно, уменьшает тепловое расширение бочки на величину, компенсирующую выпуклые участки 6 прикромочной области активной образующей 5. На нерабочих участках бочки валка интенсивность охлаждения, наоборот, уменьшена для увеличения тепловой выпуклости и выравнивания активной образующей до формы кривой 8. Таким образом, задача повышения качества поперечного профиля полос решается путём использования коллектора с дифференцированной подачей охладителя по длине коллектора, получаемой за счёт использования форсунок с разными максимальными пропускными способностями. При этом исключены резкие перепады расходов и давлений охладителя, что предотвращает появление высоких температурных напряжений, вызывающих трещины в бочке и выход валка из строя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Методами регрессионного анализа определены зависимости между дестабилизирующими факторами технологии и качеством поперечного профиля горячекатаных полос. Получены достоверные регрессионные уравнения для определения клиновидности, поперечной выпуклости и смещения вершины поперечного профиля горячекатаных полос в функции дестабилизирующих факторов технологии.

2. Выполнены исследования профиля бочки рабочих валков в условиях действующего ШПСГП, на разных стадиях технологического процесса. В результате установлено, что воздействие дестабилизирующих факторов технологии на поперечный профиль горячекатаных полос осуществляется через искажения тепловой и шлифовочной составляющих профиля валков, вызывающие их неравномерный износ по длине бочки.

3. Разработана и реализована в виде компьютерной программы усовершенствованная математическая модель теплового режима и охлаждения валков ШПСГП, отличающаяся от известных моделей тем, что расчёт средней температуры рабочих валков производится в функции основных факторов технологического процесса (температуры полосы и длины очага деформации), условий охлаждения бочки (температуры охлаждающей воды, углов установки проводок-водоотсекателей, площади бочки, на которую подаётся охлаждение) и управляющих воздействий параметров системы охлаждения (расход и давление охладителя) с учётом перепада температуры по толщине активного поверхностного слоя рабочего валка в зависимости от параметров режима охлаждения.

4. Разработана и реализована новая методика адаптации моделей теплового баланса к условиям работы конкретного стана, предусматривающая, кроме определения теплофизических коэффициентов,

уточнение остальных исходных данных теплового расчёта: температуры воды, подаваемой на валки и сливаемой с валков и с рабочей клети в циркуляционную систему, температуры окружающей среды; расхода воды, подаваемой на рабочие и опорные валки, средней температуры полосы в клети, а также параметров режима прокатки.

5. В результате проведения адаптации модели теплового режима валков в рабочих клетях чистовой группы ШПСГП «2000» Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК) ОАО «Северсталь» получены достоверные эмпирические выражения для определения теплофизических коэффициентов, которые могут быть использованы и на других станах, имеющих аналогичные параметры.

6. С помощью новой математической модели теплового режима валков установлены эффективные режимы их охлаждения и предложены технические мероприятия, позволяющие снизить температуру валков и неравномерность их теплового профиля.

7. Разработаны и успешно испытаны на чистовой группе ШПСГП «2000» новые профилировки рабочих валков, компенсирующие несоответствие формы кривых теплового профиля и упругих деформаций. Установлено, что при использовании новых профилировок обеспечиваются более равномерный износ валков и лучшее качество поперечного профиля горячекатаных полос.

8. Разработана новая конструкция коллектора системы охлаждения рабочих валков ШПСГП, позволяющая компенсировать несоответствие форм кривых теплового профиля и упругих деформаций без изменения шлифовочной профилировки.

9. Использование результатов работы позволило снизить средние значения клиновидности поперечного сечения полос с 0,008-0,010 мм до 0,005 мм, а максимальные её значения - с 0,049 до 0,036 мм. Средние значения смещения вершины уменьшились с 11-13 мм до 8 мм, а максимальные - с 60-70 мм до 39 мм. Отсортировка по неплоскостности холоднокатаных полос, по сравнению с 2006 годом, когда отсортировка составляла 0,25%, в 2007г. снизилась до 0,16%, а в 2008г. - до 0,12%. В результате в 2009г. качество поперечного профиля горячекатаных полос существенно улучшилось, по сравнению с 2007 годом (перед началом выполнения работы).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Э.А. Гарбер, М.В. Хлопотин, А.Ф. Савиных, A.B. Кожевников, A.B. Голованов, B.C. Смирнов. Промышленные испытания усовершенствованных профилировок рабочих валков на широкополосном стане горячей прокатки // Производство проката. 2008. №4. С. 18-22.

2. Э.А. Гарбер, M.B. Хлопотин, А.Ф. Савиных, А.И. Трайно. Взаимодействие валков и полосы на широкополосном стане горячей прокатки // Сталь. 2008. №3. С. 51-53.

3. Э.А. Гарбер, М.В. Хлопотин, А.И. Трайно, Е.С. Попов, А.Ф. Савиных. Моделирование теплового режима валков широкополосного стана горячей прокатки для определения эффективных режимов их охлаждения // Металлы. 2009. №3. С. 34-47.

4. Э.А. Гарбер, М.В. Хлопотин, Е.С. Попов, А.Ф. Савиных, A.B. Голованов. Повышение эффективности охлаждения валков широкополосного стана горячей прокатки с использованием адаптивных математических моделей теплового баланса// Производство проката. 2009. №4. С. 12-24.

5. Э.А. Гарбер, М.В. Хлопотин, A.B. Кожевников, Е.С. Попов, А.Ф. Савиных, Р.Б. Палигин. Исследование нестабильности поперечного профиля полос на непрерывных широкополосных станах горячей прокатки// Производство проката. 2010. №2. С. 2-9.

6. Э.А. Гарбер, М.В. Хлопотин, A.B. Кожевников, Е.С. Попов, А.Ф. Савиных, Р.Б. Палигин. Стабилизация технологических режимов широкополосных станов для улучшения качества поперечного профиля горячекатаных полос// Сталь. 2010. №6. С.

7. Способ профилирования рабочих валков полосового прокатного стана/ Гарбер Э.А., Хлопотин М.В., Кожевников A.B., Торопов С.С., Голованов A.B., Смирнов B.C., Савиных А.Ф., Немтинов A.A., Пименова Т.В. Заявка на патент РФ №2008105240/02 (005688). Положительное решение от 02.02.2009.

Лицензия А № 165724 от 11 апреля 2006 г.

Подписано к печати ¿¿.$¿10 г. Тир.100. Усл. печ. л. 1. Формат 60х84'/,6. Зак. .

ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» 162600 г. Череповец, М. Горького, 14

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Хлопотин, Максим Викторович

Введение.

Глава 1. Моделирование теплового режима и охлаждения валков ШПСГП и их влияния на качество поперечного профиля горячекатаных полос (литературно-аналитический обзор).

1.1. Поперечный профиль горячекатаных полос как объект управления.

1.2. Анализ известных моделей поперечного профиля горячекатаных полос.

1.3. Анализ известных математических моделей теплового режима и охлаждения валков ШПСГП.

1.4. Анализ известных методов шлифовочного профилирования валков

ШПСГП.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Моделирование поперечного профиля горячекатаных полос.

2.1. Основные нормируемые показатели поперечного профиля.

2.2. Статистические исследования показателей поперечного профиля горячекатаных полос.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка усовершенствованной модели теплового режима и охлаяедения валков ШПСГП.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Модель температурного поля в поверхностном слое рабочего валка.

3.3. Модель температурного поля в основной зоне рабочего валка.

3.4. Модель осесимметричного температурного поля, основанная на уравнениях теплового баланса в системе: «полоса - валки - охладитель»

3.5. Усовершенствованная комплексная модель теплового режима, теплового профиля и охлаждения валков ШПСГП.

3.6. Теплофизические коэффициенты.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка и опробование новой методики адаптации модели теплового режима и охлаждения валков к параметрам действующего ШПСГП.

4.1. Сущность новой методики и алгоритма адаптации модели.

4.2. Экспериментальное определение значений теплофизических коэффициентов, характеризующих в модели интенсивность разных видов теплообмена.

4.3. Исследование коэффициента эффективности конвективного теплообмена.

4.4. Проверка достоверности адаптированной модели теплового режима валков ШПСГП.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Разработка и испытания усовершенствованной шлифовочной профилировки рабочих валков ШПСГП.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Разработка новых шлифовочных профилировок с учетом диапазонов профилеразмеров сортамента стана.

5.3. Испытания на стане разработанных профилировок.

Выводы по главе 5.

Глава 6. Разработка и испытания способов и устройств, повышающих эффективность охлаждения валков ШПСГП.

6.1. Исследование теплового режима валков.

6.2. Разработка технических решений, улучшающих охлаждение валков.

6.3. Промышленная реализация разработанных технических решений

Выводы по главе 6.

Введение 2010 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Хлопотин, Максим Викторович

Актуальность работы.

В последние десятилетия в мировом производстве горячекатаных полос допуски на характеристики поперечного профиля уменьшились, что вызвано общей тенденцией повышения требований к качеству листового проката. Это актуально как для наиболее тонких горячекатаных полос толщиной 0,8-1,5 мм, непосредственно используемых в машиностроении и строительстве, так и для полос толщиной 1,8-3,0 мм, направляемых в качестве подката на станы холодной прокатки для производства из них автомобильных листов или другого сортамента с жёсткими требованиями к плоскостности и состоянию поверхности.

Для того, чтобы уменьшить отклонения нормируемых характеристик поперечного профиля горячекатаных полос (поперечной разнотолщинности, клиновидности, местных отклонений толщины, смещения вершины) до значений, определяемых более жесткими допусками, необходимо воздействовать на факторы, оказывающие влияние на точность формирования поперечного профиля.

Наиболее значимые из этих факторов - тепловой профиль рабочих валков (неравномерность распределения тепловых деформаций по длине бочки) и форма их исходной (шлифовочной) профилировки.

Оба этих фактора, наряду с неравномерным износом по длине бочки, искажают форму активных образующих рабочих валков, определяющую распределение толщины по ширине горячекатаных полос.

Тепловой профиль валков зависит от степени равномерности тепловыделений по ширине полосы и от эффективности их охлаждения, регулируемого по длине бочки. На многих широкополосных станах горячей прокатки (ШПСГП) система охлаждения валков стала узким местом: чем тоньше прокатываемая полоса, тем меньше доля пауз в ритме прокатки, что приводит к поступлению от полосы большего количества теплоты в валки, повышению их температуры и росту колебаний теплового профиля. Система охлаждения, не рассчитанная на прокатку тонких горячекатаных полос толщиной 0,8-1,5 мм, не в состоянии отводить от валков дополнительно поступившую теплоту, валки перегреваются и чаще выходят из строя, а неравномерность их теплового профиля по длине бочки вызывает искажения поперечного профиля горячекатаных полос: увеличение его клиновидности и несимметричности относительно оси прокатки («смещение вершины») до значений, превышающих установленные допуски.

Если горячекатаные полосы предназначены для последующей холодной прокатки, искажения их поперечного профиля, вызванные нестабильностью теплового режима валков, оказываются главной причиной ухудшения плоскостности холоднокатаных полос - одного из основных показателей их качества. Таким образом, совершенствование теплового режима и систем охлаждения валков ШПСГП - актуальная задача не только для цехов горячей прокатки, но и в целом для листопрокатного производства.

Эффективное решение этой задачи возможно на основе математической модели теплового режима валков, который, как объект управления, является сложной системой, связывающей технологические параметры (температуру полосы, обжатия, скорости, натяжения, сопротивление металла деформации, условия трения между полосой и валками, неравномерное распределение контактных напряжений по длине бочки валков), управляющие воздействия (расходы, давления и температуру охлаждающей воды, конструктивные параметры коллекторов с форсунками для подачи воды на валки, площади орошаемых водой участков бочки валков, их расположение на поверхности бочки) и выходные параметры (температуру и тепловой профиль рабочих и опорных валков, представляющий собой распределение по длине бочки тепловых деформаций (изменений диаметра) в радиальных сечениях).

Некоторые аспекты моделирования теплового режима валков ШПСГП публиковались в последние 10-15 лет, однако комплексная модель, позволяющая вычислять выходные параметры теплового режима валков современных станов в функции всех перечисленных выше технологических параметров процесса прокатки и управляющих воздействий, до сих пор отсутствовала. Это объясняется сложностью задачи и необходимостью выполнять промышленные исследования на крупном, высокопроизводительном металлургическом оборудовании, где крайне ограничены возможности для научных экспериментов. Кроме того, в последние годы па ряде крупных российских ШПСГП в результате реконструкции изменились параметры систем охлаждения валков: увеличились давление охлаждающей воды, её расход и плотность облива поверхности бочки, изменилась конструкция коллекторов и форсунок. Данные об эффективности теплоотвода от валков с помощью новых узлов систем охлаждения отсутствовали, что затрудняло их эффективную эксплуатацию.

Существенное влияние на качество поперечного профиля оказывает и форма исходной шлифовочной профилировки рабочих валков. На большинстве ШПСГП при выполнении на вальцешлифовальных станках профиля валков регламентируют только величину вогнутости или выпуклости в середине бочки, а к профилировочной кривой предъявляют только требование плавности. При этом не учитывают, что из-за различия форм кривых упругой и тепловой деформации возникает неравномерность контактных давлений по длине бочки, вызывающая неравномерность её износа. Как следствие, это приводит к местным искажениям поперечного профиля горячекатаных полос. Необходимость учета этого фактора при профилировании валков отмечали специалисты в 70х-80х годах 20 века. Ужесточение требований к точности выполнения поперечного профиля повысило актуальность совершенствования профилировок валков.

Таким образом, обеспечение конкурентоспособности отечественного листопрокатного производства на мировом рынке черных металлов во многом зависит от совершенствования теплового режима валков ШПСГП, их теплового профиля и шлифовочной профилировки.

Цель работы - повышение точности формирования нормируемых показателей поперечного профиля горячекатаных полос, путём воздействия на тепловой и шлифовочный профиль валков ШПСГП.

Основными задачами работы являлись:

- разработка, реализация и исследование усовершенствованной математической модели теплового режима и охлаждения валков ШПСГП, устраняющей недостатки известных моделей;

- разработка и реализация алгоритма адаптации математической модели теплового режима и охлаждения валков к условиям действующего ШПСГП;

- исследование с помощью разработанной модели теплового режима валков ШПСГП для получения достоверных значений теплофизических коэффициентов, характеризующих теплообмен валков в условиях современных ШПСГП, диапазонов давлений охладителя 10-15 ати и его удельных расходов 200-300 м3/(ч-м2);

- вывод регрессионных уравнений для вычисления теплофизических коэффициентов;

- исследование и моделирование процесса формирования поперечного профиля горячекатаных полос в функции теплового режима валков и других факторов технологии;

- усовершенствование метода шлифовочного профилирования рабочих валков ШПСГП путём учета несоответствия формы кривых упругих деформаций и теплового профиля.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем. 1. Разработана усовершенствованная математическая модель теплового режима и охлаждения валков ШПСГП, отличающаяся от известных моделей тем, что расчёт средней температуры рабочих валков производится в функции основных факторов технологического процесса (температуры полосы и длины очага деформации), условий охлаждения бочки (температуры охлаждающей воды, углов установки проводок-водоотсекателей, площади бочки, на которую подаётся охлаждение) и управляющих воздействий параметров системы охлаждения (расход и давление охладителя) с учётом изменения температурного поля в активном поверхностном слое рабочего валка в зависимости от параметров режима охлаждения. В модель введён новый параметр - коэффициент эффективности конвективного теплообмена, определяющий минимальную осесимметричную температуру на границе между активным поверхностным слоем и основной зоной рабочего валка.

2. Впервые получены достоверные значения теплофизических коэффициентов, характеризующих теплопередачу, контактный и конвективный теплообмен в системе «полоса - рабочие валки - опорные валки - охладитель» в условиях современных ШПСГП, диапазонов давлений охладителя 10-15 ати и его удельных расходов 200-300 м3/(ч-м2), а также регрессионные уравнения для вычисления этих коэффициентов.

3. Разработана и реализована новая методика адаптации модели п.1 к параметрам технологии и оборудования действующего ШПСГП, отличающаяся тем, что коэффициент теплоотдачи от полосы к рабочим валкам путём контактного теплообмена, коэффициент теплоотдачи от рабочих валков к охладителю (воде) путём конвективного теплообмена и коэффициент, учитывающий перепад температуры в слое окалины на поверхности полосы в очаге деформации, определяются по фактическим, измеренным на стане, значениям температуры рабочих валков, температуры воды, подаваемой на валки, сливаемой с валков и с рабочей клети в циркуляционную систему, температуры окружающей среды; расхода воды, подаваемой на рабочие и опорные валки, средней температуры полосы в клети, а также параметров режима прокатки (обжатий, скоростей, натяжений полосы, ритма прокатки).

4. Впервые разработана математическая модель, определяющая взаимосвязь между параметрами теплового режима и профиля валков (с учётом износа) и характеристиками поперечного профиля прокатываемых полос, отличающаяся тем, что клиновидность, поперечная выпуклость и смещение вершины готовой полосы рассчитываются по регрессионным зависимостям от неравномерности по длине бочки валков их износа, теплового и шлифовочного профиля, параметров поперечного профиля подката и колебаний его температуры, массы прокатанного на валках металла.

Достоверность новых научных результатов подтверждена экспериментальными данными и статистическим анализом:

- средняя погрешность расчётов с помощью новой математической модели теплового режима составила 5,3%;

- регрессионные уравнения положительно оценены по коэффициентам множественной корреляции, остаточной дисперсии и t -критерию Стьюдента.