автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод и алгоритмы обработки информации для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей

На правах рукописи

005049812

САРЫЧЕВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОДНОКАТАНЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в металлургии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец-2012

005049812

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Череповецкий Государственный Университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Виноградов Алексей Иванович

Официальные оппоненты: Горбунов Вячеслав Алексеевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ФБГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет», зав. кафедрой информационных систем и технологий

Горшков Игорь Константинович кандидат технических наук, директор ООО «Альпина Строй».

Ведущая организация: Институт металлургии и материаловедения

им. А. А Байкова РАН

Защита диссертации состоится 21 декабря 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.02 при ФГБОУ ВПО «Череповецкий Государственный Университет» по адресу: 162602, Вологодская обл., г. Череповец, пр. Луначарского, д. 5, ауд. 208.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ЧГУ.

Автореферат разослан 19 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К. А. Харахнин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Механические свойства металлов - это совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способности деформироваться. Одним из основных прочностных показателей, определяющих исходные параметры энергосилового и технологического расчетов процесса прокатки углеродистых сталей, является сопротивление пластической деформации.

При холодной прокатке металлов и сплавов в качестве сопротивления деформации используют условный предел текучести (о02), который в процессе обжатия увеличивается от исходного (недеформированного) состояния (<т0,2исх) в 2-3 раза в результате наклепа. От величины и02 зависит сила прокатки, а значит -прочность и жесткость прокатных валков, станин и других узлов рабочей клети. Кроме того, от этой величины зависит мощность процесса прокатки, определяющая параметры главного привода прокатного стана.

Из-за характерных тенденций развития современного листопрокатного производства - роста суммарных обжатий на непрерывных станах и ужесточения допусков на показатели точности листов - возросла актуальность повышения точности прогноза энергосиловых и технологических параметров процессов листовой прокатки.

Исследования и разработки, выполненные в этом направлении в последние десятилетия, были посвящены совершенствованию математических моделей энергосиловых и технологических параметров. Наибольший вклад внесли работы ученых А. В. Третьякова, Г. К. Трофимова, М. К. Гурьяновой, Э. А. Гарбера, О. Н. Тулупова, Э. В. Козлова, Н. А. Чиченева, Ма Фукан, Чжоу Энем и других. Но вопрос повышения точности определения исходного параметра - сопротивления деформации - в этих исследованиях и разработках не рассматривался.

Основной метод определения энергосиловых параметров процесса холодной прокатки стальных полос предполагает использование формулы А. В. Третьякова, позволяющей рассчитать условный предел текучести после ¡-го пропуска (ст0 21, МПа) в зависимости от суммарного относительного обжатия полосы от исходного состояния до ¡-го пропуска (£сум1, %) и от марки стали или сплава.

Данный метод позволяет определить ст0 21 одним числом, без учета разброса значений этой величины, вызванных особенностями микроструктуры металла и ее изменениями на различных стадиях производства металла, что не позволяет делать достоверные и точные прогнозы изменения величины сопротивления деформации.

Микроструктура стали представляет собой совокупность большого количества зерен, отличающихся друг от друга по размеру, форме и пространственной ориентации. Характеристики микроструктуры (средние размеры зерен, коэффициенты их анизотропии, углы поворота зерен относительно оси прокатки) влияют на механические свойства листов, в том числе на условный предел текучести. Однако существующие методы и алгоритмы, учитывающие особенности микроструктуры металла при прогнозировании величины ст02|, слабо формализованы.

Нестабильность характеристик микроструктуры, вызванная колебаниями параметров технологии на различных стадиях производства стальных листов, приводит к разбросу значений их условного предела текучести, не учитываемому формулой А. В. Третьякова. Таким образом, существует проблема определения механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей с учетом геометрических параметров микроструктуры сталей. Создание метода и алгоритмов, его реализующих, для повышения точности и достоверности определения

возможного диапазона колебаний значений механических характеристик сталей в каждой рабочей клети является актуальной научной задачей, решение которой даст возможность повысить точность результатов энергосилового расчета процесса холодной прокатки.

Цель работы:

повышение точности оценки механических свойств углеродистых сталей на основе применения статистических методов обработки информации о параметрах микроструктуры и ее изменениях в процессе холодной прокатки.

Задачи работы:

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) Анализ методов и средств определения изменений механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке на основе изменения параметров их микроструктуры.

2) Разработка математического обеспечения метода оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке листов.

3) Разработка алгоритмического обеспечения метода определения механических характеристик углеродистых сталей по параметрам микроструктуры.

4) Экспериментальные исследования метода и алгоритмов обработки информации в системе оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке листов.

Методы исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические основы металловедения и прокатного производства; основы теории вероятностей; методы статистической обработки информации; методы цифровой обработки информации; методы математического моделирования; основы теории построения алгоритмов.

Объект исследования: системы оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной пластической деформации.

Предметом исследования являются математические модели, методы, процедуры обработки информации в системе оценки механических свойств углеродистых сталей при холодной прокатке.

Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель оценки характеристик зеренной структуры углеродистых сталей после холодной прокатки, позволяющая по известным средним значениям геометрических параметров микроструктуры до деформации (размеру зерна Ан, коэффициенту анизотропии формы зерна к„ и углу отклонения продольной оси зерна от оси изделия !р~н) определить соответствующие средние значения геометрических параметров <1К, кк, 7р~к для микроструктуры холоднодеформированного металла.

2. Разработан метод определения основных механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке, отличающийся учётом геометрических параметров зёренной структуры и возможностью определения доверительного интервала колебаний условного предела текучести стали при холодной прокатке.

3. Разработано полнофункциональное алгоритмическое обеспечение для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей, включающее следующие алгоритмы:

алгоритм оценки размера зерна микроструктуры при холодной деформации

стали;

алгоритм оценки коэффициента анизотропии формы зерна микроструктуры при холодной деформации сталей;

алгоритм оценки угла отклонения продольной оси зерна микроструктуры от оси изделия при холодной деформации сталей;

алгоритм определения механических характеристик углеродистых сталей по параметрам микроструктуры;

алгоритм определения доверительных интервалов колебаний механических характеристик прокатываемых полос;

обобщенный алгоритм оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем.

Разработана методика определения доверительного интервала колебаний важнейшей механической характеристики - условного предела текучести прокатываемых полос, повышающая точность и достоверность определения технологических параметров процесса распределения между клетями обжатий и натяжений без перегрузок оборудования по усилиям и мощности прокатки.

Обоснованность и достоверность основных положений диссертации подтверждена сопоставлением результатов определения механических характеристик по разработанному методу с экспериментальными данными, в том числе - полученными другими авторами.

Достоверность алгоритмов оценки параметров микроструктуры металла подтверждена непосредственными измерениями размеров и коэффициента анизотропии зерен, выполненными на образцах холоднокатаных сталей.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГВОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» с 2006 г. по 2012 г. Экспериментальные исследования проводились в подразделении Развития технологии и продуктов (РТП) ОАО «Северсталь».

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в интересах развития высокотехнологичных секторов экономики» по государственному контракту № 14.740.11.0835 от 01.12.10 заключенному между Министерством образования и науки Российской Федерации и ФГБОУ ВПО «Череповецкий Государственный Университет».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Седьмом конгрессе прокатчиков (Москва, 15-18 октября 2007 г.), на Третьей международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 10-12 ноября 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Теория и практика производства листового проката» (Липецк, 29-30 мая 2008 г.), на VI Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, 17-19 ноября 2009 г.), на Всероссийском научном семинаре «Научно-технический прогресс в металлургии» в рамках Всероссийской научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения - 2010» (Череповец, 22-23 ноября 2010 г.), на научном семинаре кафедры ММТО ЧГУ (Череповец, 02.12.2011), на коллоквиуме Лаборатории пластической деформации ИМЕТ РАН им. А. А. Байкова. (Москва, 15.12.2011).

Публикации. По материалам диссертации издано 11 публикаций, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 81 наименование. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи исследования, представлены положения, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая ценность работы.

В первом разделе дана общая характеристика методов определения механических свойств углеродистых сталей. Рассмотрены основные геометрические параметры микроструктуры и их изменение в процессе холодной пластической деформации. Представлен обзор существующих математических моделей определения механических свойств металлов и сплавов по параметрам микроструктуры.

Основным геометрическим параметром микроструктуры металла является средний размер зерна, под которым понимают величину его среднего диаметра, определяемого формулой = где ¿1 - продольный размер /-го зерна, О; -поперечный размер /-го зерна. Также для анализа микроструктуры используется коэффициент анизотропии формы зерна (отношение продольного размера зерна к поперечному) к; = ^ и угол (01 отклонения продольной оси зерна от оси изделия (рис. 1).

<р— угол отклонения продольной оси /-го зерна от оси изделия

Анализ литературных источников показал, что оценка механических характеристик металлов в абсолютном большинстве случаев осуществляется на основе средних значений одного из параметров микроструктуры (чаще - среднего размера зерна). Это приводит к снижению точности оценки механических характеристик углеродистых сталей.

Наиболее распространенной методикой расчета механических свойств сталей при холодной прокатке является методика Третьякова. Однако она не позволяет учитывать особенности различных структур сталей, получаемых при изменяющихся технологических условиях, вследствие чего средняя относительная погрешность определения основных механических характеристик новых марок сталей составляет более 12%,

На основании этого сделан вывод о необходимости создания усовершенствованного метода оценки механических свойств по параметрам микроструктуры углеродистых сталей на основе алгоритмов определения

геометрических параметров зеренной структуры деформированного металла и обеспечивающего более высокую точность расчета.

Во втором разделе разработано математическое обеспечение метода оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей.

Разработана математическая модель оценки геометрических характеристик микроструктуры углеродистых сталей при холодной деформации, позволяющая по известным средним значениям характеристик исходной микроструктуры определить их средние значения и параметры законов распределения геометрических характеристик микроструктуры металла после деформации.

Исследовались образцы холоднокатаной стали 13Г1СУ. Измерения проводились на фотографиях продольных шлифов, сделанных при увеличении 500. Для сбора данных использовалось 25 снимков шлифов. На каждой фотографии измерялось по 300 зерен. Были определены средние значения и законы распределения геометрических параметров. В результате обработки экспериментальных данных установлено, что величины размера зерна подчиняются нормальному закону распределения, коэффициенты анизотропии формы зерен -логарифмически нормальному, а угол отклонения продольной оси зерна от оси изделия распределен по закону Лапласа. Для этого с применением критерия согласия Пирсона с уровнем значимости а - 0,01 были проверены соответствующие непараметрические статистические гипотезы. Установлено, что законы распределения геометрических параметров микроструктуры не зависят от степени деформации и её вида.

Модель оценки геометрических параметров микроструктуры металлов после холодной прокатки разработана при следующих допущениях:

1) При пластической деформации металла с обжатием до 70% зерна, из которых состоит его структура, не меняют свой объем.

2) Относительная деформация образца равна относительной деформации зерна, имеющего средние размеры.

На основании указанных допущений получены выражения, связывающие средние значения геометрических параметров исходной и деформированной микроструктур. Кроме того, проведенные исследования позволили определить основные параметры законов распределения случайных величин: размера зерна, коэффициента анизотропии формы зерна, угла отклонения оси зерна, позволяющие создать модель оценки геометрических параметров микроструктуры после холодной прокатки. Данная модель может быть представлена в виде последовательности следующих шагов:

1. Проведение статистического исследования структуры исходного материала (до деформации); определение среднего размера зерна ~сГн (мкм), среднего коэффициента анизотропии формы зерна кн (б/р), среднего значения угла отклонения продольной оси зерна от оси изделия ~фн (град);

2. Определение средних значений геометрических параметров зерна после холодной деформации:

йК - средний размер зерна металла после деформации, (мкм) - по формуле (1):

_ Ъ = ТН, (1)

кк - средний коэффициент анизотропии формы зерна после деформации, (б/р) - по формуле (2):

Ъ = Щ (2)

|рК - средний угол отклонения продольной оси зерна металла от оси изделия после деформации, (град) - по формуле (3):

_ _ (arctgRi, если |Äj| < |ß2| larctgR2l если IRJ > |Д2Г

где i?l =-*-7-¡^-,

-:

3. Определение параметров статистического распределения геометрических характеристик зерен после деформации:

• для размеров зерен рассчитываются параметры нормального распределения ad (математическое ожидание размера зерна), ad (среднее квадратическое отклонение) по формулам (4):

ал "Т., c^f, (4)

• для коэффициентов анизотропии - параметры ак и ак логарифмически нормального распределения по формулам (5):

ак « 417,386 + 21пкК - 16,693, <тк » ^17,386 + - 4; (5)

• для углов отклонения - параметры агр и av распределения Лапласа по формулам (6):

— 90-я_ . .

а,, » о-^ = —. (6)

4. Построение функций плотности распределения указанных характеристик:

• для размеров зерен по формуле (7):

• для коэффициентов анизотропии формы зерна по формуле (8):

(8)

• для углов отклонения продольной оси зерна от оси изделия по формуле (9):

¿м-^Ч-^)- (9)

Также во втором разделе разработан новый метод определения механических характеристик углеродистых сталей, отличием которого является использование для расчетов относительного геометрического показателя - коэффициента анизотропии формы зерна.

Для определения сопротивления деформации была использована эмпирическая формула А. В. Третьякова для определения условного предела текучести сталей после холодной прокатки:

00,21 = °0,2иог + Л£су„ I, (10)

где с0i2i - условный предел текучести после ¡-го пропуска, МПа; Есуис~ суммарное относительное обжатие полосы от исходного состояния до i-го пропуска, %;

А (МПа) и Ъ (б/разм) - эмпирические величины, зависящие от марки стали или сплава, имеющиеся в справочниках.

Используя выражение (2) и эмпирическую формулу А. В. Третьякова (10), получили модифицированную формулу для расчета условного предела текучести, в

которой величина аог непосредственно зависит от исходного и конечного средних значений коэффициентов анизотропии формы зерен:

с0,п = о02жх + а(ш-Щ). (11)

Согласно формуле (11), приращение условного предела текучести равно:

Да„,2(=л(100-и)Ь. (12)

Получено неравенство (13), позволяющее определить доверительный интервал значения условного предела текучести материала после холодной деформации:

Оолис* + А (юо • TÍP^) < Ob,2¡ < °0.гис* + A (lOO ■ , (13)

_ _ \ *тт / V 1+кхтах /

где kKmin и кКтах минимальное и максимальное из возможных значений fcK:

Ът1п = exp (akmin + ± ■ (akmln - In Q)) J,

T«max = eXP («W + T2 ' ~ ln (i))

atm¡n и "kmax ' гРаниЦЫ доверительного интервала параметра ak:

"kmm = ak - «W = ak +

ak и ak вычисляются по формулам (5);

Y - принятое значение доверительной вероятности;

Су = t(y; п)- коэффициенты Стьюдента, которые находят по таблице критических точек распределения Стьюдента;

п - число измеренных зерен микроструктуры.

Аналогично могут быть определены оценки предела прочности и твердости холоднокатаной углеродистой стали:

—+ß (io° -pST < * <—+в (io° •

НВисх + С (юо ■ ""р-"") 2 < HB < нвисх + с (юо • .

V f min f V 1+k«mia /

Данный метод является усовершенствованным, так как при расчете механических характеристик сталей он учитывает не только суммарное относительное обжатие е (оно учитывается косвенно, так как, е является функцией кн и кК), но и изменение при пластической деформации анизотропии зерен - через коэффициенты кн и кК.

Кроме того, метод повышает точность определения технологических параметров процесса прокатки - распределения между клетями обжатий и натяжений без перегрузок оборудования по усилиям и мощности прокатки.

Применение предложенного метода позволяет расширить возможности определения механических характеристик, повысить достоверность энергосиловых и технологических расчетов при холодной прокатке.

В третьем разделе разработано алгоритмическое обеспечение метода определения механических свойств по параметрам микроструктуры.

Построены алгоритмы оценки размера зерна микроструктуры, оценки коэффициента анизотропии формы зерна, оценки угла отклонения продольной оси зерна микроструктуры от оси изделия при холодной деформации сталей, позволяющие определить размер зерна микроструктуры (ее бальность), форму и ориентацию зерен готового холоднокатаного листового проката.

Получены алгоритмы определения механических свойств углеродистых сталей по параметрам микроструктуры, определения доверительных интервалов колебаний механических характеристик прокатываемых полос, позволяющие определить средние значения и доверительные интервалы колебаний механических характеристик прокатываемых полос: условного предела текучести деформированного металла <т02, МПа; временного сопротивления ив, МПа, твердости ИВ, МПа. Полученные алгоритмы представлены в виде блок-схем.

Из указанных алгоритмов наиболее важным является алгоритм определения доверительных интервалов колебаний механических характеристик прокатываемых полос, который сформулирован следующим образом:

1. Измерение продольных и поперечных осей зерен микроструктуры исходного материала (до деформации); измерение исходных значений предела текучести (70,2„„. МПа, предела прочности <таис,, МПа, твердости НВисх, МПа.

2. Вычисление среднего коэффициента анизотропии формы зерна исходной микроструктуры кн (б/р).

3. Вычисление среднего коэффициента анизотропии формы зерна деформированной стали кК (б/р).

4. Вычисление параметров логарифмически нормального распределения ак и

ак.

5. Определение границ доверительного интервала параметра ак.

6. Вычисление наименьшего и наибольшего возможных значений коэффициента анизотропии формы зерна холоднодеформированного металла.

7. Вычисление механических характеристик деформированного металла: условного предела текучести деформированного металла оь2, МПа; временного сопротивления сгв, МПа, твердости НВ, МПа.

8. Вычисление наименьших и наибольших значений условного предела текучести, предела прочности и твердости углеродистой стали после холодной прокатки.

Также разработан обобщенный алгоритм оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей. Он представлен в виде последовательности следующих шагов:

1. Измерение продольных и поперечных осей зерен микроструктуры исходного материала (до деформации); измерение исходных значений предела текучести со,2исх' МПа, предела прочности сВисх, МПа, твердости НВисх, МПа.

2. Применение алгоритма оценки размера зерна микроструктуры при холодной деформации углеродистых сталей. Вычисление среднего размера зерна микроструктуры деформированной стали йК (мкм). Если полученное значение не удовлетворяет требованиям нормативной документации, изменить входные данные (режим обжатия, суммарное относительное обжатие).

3. Если полученное значение йк удовлетворяет требованиям НТД, применить алгоритм оценки коэффициента анизотропии формы зерна микроструктуры и алгоритм оценки угла отклонения продольной оси зерна от оси изделия при холодной деформации углеродистых сталей. Найти кк и цГк.

4. Применение алгоритма определения доверительного интервала колебаний механических характеристик прокатываемых полос, найти о0Лт1п и аа,-гтах, сгвтт и °втах' НВт1п и НВтах. Если полученные интервалы не удовлетворяет НТД, изменить варьируемые параметры технологического процесса холодной листовой прокатки ( £ь А, Ь, В, пг, С, л2,).

Блок-схема обобщенного алгоритма оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей представлена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема обобщенного алгоритма оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей

Полученные алгоритмы позволяют оценивать изменения геометрических параметров микроструктуры углеродистой стали при холодной прокатке, а также определять ее основные механические свойства, в частности, условный предел текучести, предел прочности и твердость. Кроме того алгоритмы позволяют определить доверительные интервалы колебаний механических характеристик

углеродистых сталей, определить ресурсные возможности исследуемой технологии холодной прокатки углеродистых сталей, сформировать критерии оценки механических свойств для конкретной марки стали и реализовать выбор оптимальных технологических параметров.

В четвертом разделе приведены основные функциональные элементы и блоки системы обработки информации для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей, приведены результаты экспериментальной проверки разработанного метода.

Функциональная схема системы сбора и обработки информации для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей, представленная на рис. 3, включает:

блок получения и обработки изображений микроструктуры, представлен металлографическими микроскопами (1), технологиями обработки поверхностей металлов и программным обеспечением обработки изображений на базе промышленного компьютера (2)

блок сбора информации о параметрах технологического процесса прокатки (стан холодной листовой прокатки, система САРТиН (4));

блок получения и обработки информации о химическом составе и свойствах стали (5), представленный базой данных о химическом составе сталей, - блок сбора информации о механических характеристиках горячекатаного подката (разрывные и универсальные машины, твердомеры), база данных механических свойств подката (6);

блок вычисления геометрических параметров микроструктуры холоднокатаной листовой стали (3); блок вычисления механических характеристик холоднокатаной углеродистой стали и анализа полученных результатов (7) (выполняет обобщенный алгоритм оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей, может быть программно реализован);

блок отображения результата. (8). Может быть реализован программно (интерфейсная часть программы).

ИТ -измерители толщины

ИС — измерители усилия прокатки

ИН — измерители натяжений

РС - регуляторы усилия прокатки

СУ ГНУ ■ система управления гидронажимными

устройствами

САРТиН -система автоматического регулирования толщины и натяжения

СУРС -система управления скоростным режимом стана

СУиВ — система управления и визуализации АСУ стана - система автоматизированного управления стана

-За £

Рис.3. Функциональная схема системы обработки информации для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей

Для проверки математической модели оценки геометрических параметров микроструктуры сталей после холодной прокатки исследовались образцы из холоднокатаной листовой стали 08Ю и образцы заготовки для её производства. Обжатие при этом составляло 70%.

В результате прямых геометрических измерений зерен на фотографиях шлифов заготовки из стали 08Ю были определены исходные характеристики для статистического анализа структуры металла: £н( - продольный размер /-го зерна, - поперечный размер /-го зерна, <рнГ угол отклонения продольной оси /-го зерна от оси изделия. Затем по формулам йм = и кт= — вычислены средний

размер /-го зерна и средний коэффициент анизотропии формы /-го зерна.

Аналогичным методом были определены характеристики микроструктуры стали 08Ю после деформации: Ьщ - продольный размер /-го зерна, - поперечный размер /-го зерна, у« - угол отклонения продольной оси /-го зерна от оси изделия. Далее вычислены средние значения этих геометрических параметров: <1Н, кн, ТрЦ, йК, кк, 7рк для измеренных зерен.

Используя алгоритмы, предложенные в разделе 3, вычислены средние значения геометрических параметров микроструктуры стали 08Ю после холодной прокатки.

Обработанные результаты измерений средних значений геометрических параметров исходной и конечной зеренной структуры стали 08Ю сравнивались с рассчитанными значениями этих параметров. Результаты измерений и расчетов приведены в табл.1.

При расчете погрешности угла отклонения был определен доверительный интервал, в который с заданной надежностью у попадает среднее значение этого параметра. Для расчета использована формула для вычисления точности оценки измеренной величины:

8 = ^Ф"1 где 8- искомая точность, 52- исправленная дисперсия, п-

объем выборки, Ф(х) - функция Лапласа. С вероятностью у = 0,95 точность измеренного значения ^ равна: 8 ~ 1,2. Таким образом, доверительный интервал = 2,5 ± 1,2 и вычисленное значение Щ = 3,2 попадает в него.

Таблица 1

Измеренные и вычисленные средние значения геометрических параметров микроструктуры холоднокатаной стали 08Ю и заготовки для её изготовления

Параметр Единицы измерения Исходное значение параметра Конечное значение параметра Погрешность %

Измеренное Вычисленное

Средний размер зерна мкм Тн = 48,9 47,3 ^=48 1,5

Средний коэффициент анизотропии формы зерна б/разм ^ = 1,5 II N3 ¥к = 7,333 1,8

Средний угол отклонения продольной оси зерна от оси изделия град ^ = 24 <Рк = 2,5 7р~к = 3,2 5

Далее по вычисленным значениям геометрических параметров микроструктуры были определены параметры статистических распределений геометрических характеристик зерен после деформации и найдены функции плотности распределения указанных характеристик, согласно выявленному закону распределения. Результаты расчетов сравнивались с результатами, полученными по экспериментальным данным (табл. 2).

Таблица 2

Вычисленные параметры статистических распределений геометрических характеристик зерен стали 08Ю после деформации и их оценки

Геометрический параметр микроструктуры Размер зерна Коэффициент анизотропии формы зерна Угол отклонения продольной оси зерна от оси изделия

Закон распределения Нормальный Логарифмически нормальный Распределение по закону Лапласа

Расчетные значения параметров ал = 48; сл = 12 ак = 1,79; ак = 0,62 а,, = 3,2; (т„ = 11,36

Экспериментальные значения параметров ал = 47,3; <тл = 14,2 ак = 1,8; ак = 0,5 йу = 2,5; <т„ = 6,2

Таким образом, отличия между вычисленными и измеренными значениями геометрических параметров микроструктуры относительно невелики и предложенная модель может быть использована для оценки геометрических параметров структуры стали после холодной прокатки.

Дополнительно был проверен алгоритм оценки величины коэффициента анизотропии формы зерна при холодной прокатке сталей широкого марочного сортамента. Для этого сравнивали экспериментальные значения коэффициента анизотропии формы зерна металла, полученные из литературных источников, и значения, вычисленные с помощью предложенного алгоритма. Результаты исследований представлены на рис.4.

I 3,5 -г-

I 3--

й х 2,5--

| & , - , _

® " Ш пШ

р;;Д

1 о \ \ Я , 1Л ,

^ 0,06 0,07 0,1 0,4 0,8

Содержаниеуглеродав стали, %

В Данные источника 9 Расчетные данные

Рис.4. Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициента анизотропии зеренной структуры различных сталей для степеней деформации 2060%

Исследования показали, что для сталей широкого марочного сортамента данная методика позволяет рассчитать коэффициент анизотропии формы зерна со средней погрешностью, не превышающей 6%.

Таким образом, проверка модели оценки геометрических параметров микроструктуры сталей после холодной прокатки показала её достоверность для всех геометрических параметров микроструктуры.

Для проверки метода оценки механических свойств углеродистых сталей исследованию подвергалась структура горячекатаного подката для производства автомобильной стали 08Ю на станах холодной прокатки ОАО «Северсталь» и структура готового холоднокатаного листа, полученного из этого подката.

Геометрические параметры структуры исходного горячекатаного подката были определены методом прямых геометрических измерений. Установлены средние значения размера зерна до деформации йн = 48,9 мкм и коэффициента анизотропии формы зерен до деформации: кн = 1,5.

Затем из базы данных ОАО «Северсталь» были взяты технологические режимы обработки стали 08Ю с различными суммарными относительными обжатиями = 33% - 48%), а также экспериментальные значения приращения предела текучести Д£т0,2! этой стали для каждого обжатия.

По формуле (2) рассчитаны средние значения ТГК коэффициента анизотропии формы зерна готового металла после холодной прокатки. Далее с использованием формулы (12) определены расчетные значения приращения пределов текучести. При этом коэффициент А принят равным А = 77 МПа, а Ь = 0,48, согласно рекомендациям справочников. Результаты вычислений и экспериментальные значения приращения предела текучести представлены в табл. 3.

Таблица 3

Расчетные и экспериментальные значения приращения предела текучести холоднокатаной стали 08Ю

Обжатие, є К ДОо2(, МПа Погрешность, %

Эксперимент Расчет

0,33 2,7313 395 412,46 4,42

0,36 2,9063 460 430,05 6,51

0,37 2,9683 455 435,74 4,23

0,38 3,0323 445 441,35 0,82

0,38 3,0323 425 441,35 3,85

0,41 3,2373 440 457,75 4,03

0,41 3,2373 450 457,75 1,72

0,43 3,3860 430 468,33 8,91

0,48 3,8077 520 493,73 5,05

На рис.5 представлена графическая интерпретация полученных результатов. На нем показана кривая, построенная по формуле (12), которая определяет приращение условного предела текучести стали, как функцию коэффициента анизотропии формы зерна деформированного металла, и экспериментальные точки, полученные из базы технологических параметров пятикпетевого стана 1700 ОАО «Северсталь».

Лоу

расчетиая:кривая

..............*...........V......*........

Рис. 5. Приращение условного предела текучести &а0 2,- в зависимости от коэффициента анизотропии кс холоднодеформированной стали 08Ю

Сравнение результатов расчета и экспериментальных значений свидетельствует о достоверности разработанного метода определения механических характеристик изделия по параметрам микроструктуры стали. Погрешность расчета приращения условного предела текучести не превосходит 9%, а в среднем погрешность составляет 4,39%.

По указанным выше данным были определены интервалы, в которые попадают средние значения приращения предела текучести стали после холодной прокатки. Полученные интервалы сопоставлялись с экспериментальными значениями дсг0 2(. В табл. 4 для различных обжатий представлены

экспериментальные значения приращения предела текучести стали 08Ю, взятые из базы данных ОАО «Северсталь», и вычисленные с доверительной вероятностью Г = 0,999 по формуле (13) интервалы, в которые попадают средние значения приращения предела текучести стали после холодной прокатки.

Таблица 4

Расчетные интервалы и экспериментальные значения приращения предела текучести холоднокатаной стали 08Ю

Эксперименталь Доверительный интервал

Обжатие, ное значение Дстр 2/ для Дар 2гпРи надежности

МПа у = 0,999

0,33 395 (393,7; 448,5)

0,36 460 (412; 465,7)

0,37 455 (417,9; 471,2)

0,38 425 (423,7; 476,7)

0,38 445 (423,7; 476,7)

0,41 450 (440,7; 492,6)

0,41 440 (440,7; 492,6)

0,48 520 (478,1; 527,1)

Таким образом, исследования влияния геометрических параметров микроструктуры на механические свойства автомобильной стали 08Ю, проведенные с использованием базы технологических параметров пятиклетевого стана холодной прокатки 1700 ОАО «Северсталь» показали, что разработанный метод определения

механических свойств по среднему значению коэффициента анизотропии формы зерна и определения разброса механических характеристик является достоверным, отклонения расчетных и экспериментальных значений составили в среднем около 5%.

Метод оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей был применен для исследования сталей 5АЕ1015 и СНЕБ950. В этом случае средняя относительная погрешность составила 1,5-3,2 % для условного предела текучести и 6,5-8,5 % для предела прочности, что также является более точным результатом, по сравнению с методом Третьякова, используемым в настоящее время.

Условный предел текучести сг021 входит в число конструктивных и технологических параметров, которые служат исходными данными для энергосилового расчета процесса холодной прокатки. Основными энергосиловыми параметрами, подлежащими определению, являются усилие прокатки Р и мощность прокатки Ыпр. Используя максимальное расчетное значение условного предела текучести, учитывающее анизотропию структуры и свойств деформируемого металла, можно определить максимальные значения усилия и мощности прокатки в каждой клети стана.

С использованием упругопластической модели очага деформации, разработанной кафедрой ММТО ЧГУ, был проведен расчет усилия и мощности процесса холодной прокатки стали 08пс на четырехклетевом стане «1700» ОАО «Северсталь». Величины Р и Ыпр определялись с учетом условного предела текучести а021 по формуле (10), а также рассчитывались с учетом наибольшего возможного значения условного предела текучести.

В результате сделан вывод о том, что учет анизотропии зерен при холодной прокатке дает поправку в сторону увеличения в 3 % к определению усилия прокатки, и 2 % к определению мощности прокатки. Эти уточнения являются существенными при конструкторских и технологических расчетах.

Таким образом, расчет энергосиловых параметров с использованием усовершенствованной модели расчета условного предела текучести определяет максимальные усилия прокатки и мощности, действующие по клетям стана. Это позволяет точнее осуществлять расчеты прокатных валков, станин и других узлов рабочих клетей и приводов, избежать перегрузок оборудования по механическим нагрузкам и мощности.

Обобщенные результаты достигнутых показателей приведены на рис. 6.

Рис. 6. Обобщенные результаты оценки эффективности применения метода определения механических характеристик углеродистых сталей

У величе: оценки у прелена■

1,01

опенки размера ісріїїі

В заключении сформулированы основные выводы и результаты.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана математическая модель оценки характеристик зеренной структуры углеродистых сталей после холодной прокатки, позволяющая по известным средним значениям геометрических параметров микроструктуры до деформации (размеру зерна , коэффициенту анизотропии формы зерна и углу отклонения продольной оси зерна от оси изделия ), определить соответствующие средние значения геометрических параметров для микроструктуры холоднодеформированного металла.

2. Разработан метод определения механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке, отличающийся учётом геометрических параметров зёренной структуры и возможностью определения доверительного интервала колебаний этих характеристик при холодной прокатке. Проведенные исследования показали, что отклонения рассчитанных и реальных производственных данных составляют в среднем не более 5%.

3. Разработано полнофункциональное алгоритмическое обеспечение для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей.

4. Поставленная цель достигнута. Точность оценки механических свойств углеродистых сталей на основе применения статистических методов обработки информации о параметрах микроструктуры и ее изменениях в процессе холодной прокатки в 1,5-2 раза превышает точность расчета основных механических характеристик по формулам Третьякова для новых марок сталей. Погрешность оценки механических свойств углеродистых сталей снижена с 12 % до 5-8 %.

Список публикаций по теме диссертации по перечню ВАК:

1. Виноградов, А. И. К вопросу о трансформации зеренной структуры металла при пластическом деформировании [Текст] / А. И. Виноградов, А. И. Трайно, И. А. Сарычева // Металлы. - 2009. - №2 - с. 54-60.

2. Виноградов, А. И., К вопросу об изменении ориентации зеренной структуры металла при холодной пластической деформации [Текст] / А. И. Виноградов, И. А. Сарычева // Вестник ЧГУ. - 2010. - № 1 - с. 123 -126.

3. Виноградов, А. И. Влияние анизотропии формы зерна на изменение предела текучести металла при холодной прокатке [Текст] / А. И. Виноградов, Э. А. Гарбер, И. А. Сарычева// Производство проката. -2011. - №6 - с. 10-15.

4. Виноградов, А. И. Совершенствование метода определения сопротивления деформации металла при холодной прокатке путем учета анизотропии формы зерен его структуры [Текст] / А. И. Виноградов, Э. А. Гарбер, И. А. Сарычева // Вестник ЧГУ. -2011,-№2, т. 1 - с. 6-12.

в прочих изданиях:

5. Виноградов, А. И. Анализ геометрических моделей изменения структуры металлов при различных способах их пластической обработки [Текст] / А. И. Виноградов, И. А. Сарычева // Вестник ЧГУ. - 2007. - №3 - с. 14-21.

6. Виноградов, А. И. Матричная модель изменения микроструктуры металла при его пластической обработке [Текст] / А. И. Виноградов, И. А. Сарычева // Труды седьмого конгресса прокатчиков. Т.1. - Москва, 2007. - с. 473-477.

7. Сарычева, И. А. Матричная модель изменения структуры деформируемого металла [Текст] / И. А. Сарычева, А. И. Виноградов II Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования. Материалы третьей международной научно-технической конференции. Т.1. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - с. 66-70.

8. Виноградов, А. И. Разработка методики анализа изменений зеренной структуры металла на основе статистических методов обработки данных [Текст] / А. И. Виноградов, И. А. Сарычева // Теория и практика производства листового проката: Сб. научн. Тр. Часть 1. - Липецк, 2008. - с. 236-243.

9. A. I. Vinogradov ,А. I. Traino, I. A. Sarycheva. Transformation of the Grain Structure in a Metal during Plastic Deformation. II Russian Metallurgy (Metally). Vol. 2009, №2, pp. 140-145.

10. Сарычева, И. А. Анализ коэффициентов анизотропии зерен металла, подвергшегося волочению, на основе статистических методов обработки данных [Текст] / VI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов. Москва 17-19 ноября 2009. Сборник статей под редакцией академика РАН Ю.В. Цветкова и др. - М.: Интерконтакт Наука. -2009, 570 е.- с. 173-177.

11. Сарычева, И. А. Влияние геометрических параметров микроструктуры металла на его механические свойства [Текст] I И. А. Сарычева, А. И. Виноградов // Всероссийский научный семинар «Научно-технический прогресс в металлургии» в рамках всероссийской научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения - 2010» (22-23 ноября 2010 г.): Сборник статей / Отв. Ред. Э. А. Гарбер. -Череповец: ЧГУ, 2011. - с. 100-107.

Лицензия А № 165724 от 11 апреля 2006 г.

Подписано к печати 15.11.12 г. Тир. 100. Усл. печ. л. 1. Формат 60х841/16. Зак.125. ВПО «Череповецкий государственный университет» 162600 г. Череповец, М. Горького, 14

Введение.

1. Общая характеристика проблемы оценки механических свойств углеродистых сталей при холодной листовой прокатке.

1.1 Общая характеристика методов определения механических свойств углеродистых сталей.

1.2 Характеристика процесса холодной листовой прокатки углеродистых сталей, как объекта оценки механических свойств.

1.3 Определение требований к математическому обеспечению оценки механических свойств.

1.4 Выводы.

2. Математическое обеспечение метода определения механических характеристик углеродистых сталей при холодной листовой прокатке.

2.1 Разработка математической модели оценки геометрических параметров микроструктуры при деформации углеродистых сталей.

2.1.1 Оценка размера зерна микроструктуры при холодной деформации углеродистых сталей.

2.1.2 Оценка коэффициента анизотропии формы зерна микроструктуры при деформации углеродистых сталей.

2.1.3 Оценка угла отклонения продольной оси зерна микроструктуры от оси изделия при деформации углеродистых сталей.

2.1.4 Математическая модель оценки геометрических параметров зеренной структуры холоднодеформированного металла.

2.2 Разработка метода оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей.

2.2.1 Определение сопротивления деформации холоднокатаных углеродистых сталей.

2.2.2 Определение предела прочности и твердости холоднокатаных углеродистых сталей.

2.3 Выводы

3. Алгоритмическое обеспечение метода определения механических характеристик углеродистых сталей по параметрам микроструктуры.

3.1 Алгоритм оценки размера зерна микроструктуры при холодной деформации углеродистых сталей.

3.2 Алгоритм оценки коэффициента анизотропии формы зерна микроструктуры при холодной деформации углеродистых сталей.

3.3 Алгоритм оценки угла отклонения продольной оси зерна микроструктуры от оси изделия при холодной деформации углеродистых сталей.

3.4 Алгоритм оценки механических характеристик углеродистых сталей по параметрам микроструктуры.

3.5 Алгоритм определения доверительных интервалов колебаний механических характеристик прокатываемых полос.

3.6. Обобщенный алгоритм оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей.

3.7 Выводы.

4. Экспериментальные исследования метода и алгоритмов обработки информации в системе оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной листовой прокатке.

4.1 Основные функциональные элементы и блоки.

4.2 Методика настройки алгоритмического обеспечения.

4.3 Результаты экспериментальных исследований.

4.4 Перспективы применения разработанных метода и алгоритмов в системах расчета энергосиловых параметров процесса холодной прокатки.

4.5 Выводы.

Актуальность темы. Механические свойства металлов - это совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способности деформироваться. Одним из основных прочностных показателей, определяющих исходные параметры энергосилового и технологического расчетов процесса прокатки углеродистых сталей, является сопротивление пластической деформации.

При холодной прокатке металлов и сплавов в качестве сопротивления деформации используют условный предел текучести (сг0 2), который в процессе обжатия увеличивается от исходного (недеформированного) состояния (сг0 2исх) в 2-3 раза в результате наклепа [1]. От величины а0 2зависит сила прокатки, а значит - прочность и жесткость прокатных валков, станин и других узлов рабочей клети. Кроме того, от этой величины зависит мощность процесса прокатки, определяющая параметры главного привода прокатного стана [2].

Из-за характерных тенденций развития современного листопрокатного производства - роста суммарных обжатий на непрерывных станах и ужесточения допусков на показатели точности листов - возросла актуальность повышения точности прогноза энергосиловых и технологических параметров процессов листовой прокатки.

Исследования и разработки, выполненные в этом направлении в последние десятилетия, были посвящены совершенствованию математических моделей энергосиловых и технологических параметров. Наибольший вклад внесли работы ученых А. В. Третьякова, Г. К. Трофимова, М. К. Гурьяновой, Э. А. Гарбера, О. Н. Тулупова, Э. В. Козлова, Н. А. Чиченева, Ма Фукан, Чжоу Энем и других. Но вопрос повышения точности определения исходного параметра - сопротивления деформации - в этих исследованиях и разработках не рассматривался.

Основной метод определения энергосиловых параметров процесса холодной прокатки стальных полос предполагает использование формулы

А.В.Третьякова, позволяющей рассчитать условный предел текучести после 5 ьго пропуска (<т02ь МПа) в зависимости от суммарного относительного обжатия полосы от исходного состояния до ьго пропуска (£сум ¡, %).

Данный метод позволяет определить а02, одним числом, без учета разброса значений этой величины, вызванных особенностями микроструктуры металла и ее изменениями на различных стадиях производства металла, что не позволяет делать достоверные и точные прогнозы изменения величины сопротивления деформации.

Микроструктура стали представляет собой совокупность большого количества зерен, отличающихся друг от друга по размеру, форме и пространственной ориентации. Характеристики микроструктуры (средние размеры зерен, коэффициенты их анизотропии, углы поворота зерен относительно оси прокатки) влияют на механические свойства листов [3], в том числе на условный предел текучести углеродистых сталей. Однако существующие методы и алгоритмы, учитывающие особенности микроструктуры металла при прогнозировании величины ст021, слабо формализованы.

Нестабильность характеристик микроструктуры, вызванная колебаниями параметров технологии на различных стадиях производства стальных листов, приводит к разбросу значений их условного предела текучести, не учитываемому формулой А. В. Третьякова. Таким образом, существует проблема определения механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей с учетом геометрических параметров микроструктуры сталей.

Создание метода и алгоритмов, его реализующих, для повышения точности и достоверности определения возможного диапазона колебаний значений механических характеристик углеродистых сталей в каждой рабочей клети является актуальной научной задачей, решение которой даст возможность повысить точность результатов энергосилового расчета процесса холодной прокатки.

Целью работы является повышение точности оценки механических свойств углеродистых сталей на основе применения статистических методов обработки информации о параметрах микроструктуры и ее изменениях в процессе холодной прокатки.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) Анализ методов и средств определения изменений механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке на основе изменения параметров их микроструктуры.

2) Разработка математического обеспечения метода оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке листов.

3) Разработка алгоритмического обеспечения метода определения механических характеристик углеродистых сталей по параметрам микроструктуры.

4) Экспериментальные исследования метода и алгоритмов обработки информации в системе оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке листов.

Методы исследования: Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические основы металловедения и прокатного производства; основы теории вероятностей; методы статистической обработки информации; методы цифровой обработки информации; методы математического моделирования; основы теории построения алгоритмов.

Объект исследования: системы оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной пластической деформации.

Предметом исследования являются математические модели, методы, процедуры обработки информации в системе оценки механических свойств углеродистых сталей при холодной прокатке.

Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель оценки характеристик зеренной структуры малоуглеродистых сталей после холодной прокатки, позволяющая по известным средним значениям геометрических параметров микроструктуры до деформации (размеру зерна коэффициенту анизотропии формы зерна кн и углу отклонения продольной оси зерна от оси изделия определить соответствующие средние значения геометрических параметров йК ,кк, для микроструктуры холоднодеформированного металла.

2. Разработан метод определения основных механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке, отличающийся учётом геометрических параметров зёренной структуры и возможностью определения доверительного интервала колебаний условного предела текучести стали при холодной прокатке.

3. Разработано полнофункциональное алгоритмическое обеспечение для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей, включающее следующие алгоритмы:

- алгоритм оценки размера зерна микроструктуры при холодной деформации стали;

- алгоритм оценки коэффициента анизотропии формы зерна микроструктуры при холодной деформации сталей;

- алгоритм оценки угла отклонения продольной оси зерна микроструктуры от оси изделия при холодной деформации сталей;

- алгоритм определения механических характеристик углеродистых сталей по параметрам микроструктуры;

- алгоритм определения доверительных интервалов колебаний механических характеристик прокатываемых полос;

- обобщенный алгоритм оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем.

Разработана методика определения доверительного интервала колебаний важнейшей механической характеристики - условного предела текучести прокатываемых полос, повышающая точность и достоверность определения технологических параметров процесса распределения между клетями обжатий и натяжений без перегрузок оборудования по усилиям и мощности прокатки.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» с 2006 г. по 2012 г. Экспериментальные исследования проводились в подразделении Развития технологии и продуктов (РТП) ОАО «Северсталь».

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в интересах развития высокотехнологичных секторов экономики» по государственному контракту № 14.740.11.0835 от 01.12.10 заключенному между Министерством образования и науки Российской Федерации и ФГБОУ ВПО «Череповецкий Государственный Университет».

Обоснованность и достоверность основных положений диссертации подтверждена сопоставлением результатов определения механических характеристик по разработанному методу с экспериментальными данными, в том числе - полученными другими авторами.

Достоверность алгоритмов оценки параметров микроструктуры металла подтверждена непосредственными измерениями размеров и коэффициента анизотропии зерен, выполненными на образцах холоднокатаных сталей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Седьмом конгрессе прокатчиков (Москва,

15-18 октября 2007 г.), на Третьей международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования»

Вологда, 10-12 ноября 2007г.), на Международной научно-технической конференции «Теория и практика производства листового проката» (Липецк, 9

29-30 мая 2008 г.), на VI Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, 17-19 ноября 2009 г.),на Всероссийском научном семинаре «Научно-технический прогресс в металлургии» в рамках Всероссийской научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения - 2010» (Череповец, 22-23 ноября 2010 г.), на научном семинаре кафедры ММТО ЧТУ (Череповец, 02.12.2011), на коллоквиуме Лаборатории пластической деформации ИМЕТ РАН им. Байкова А.А. (Москва, 15.12.2011).

Публикации. По материалам диссертации издано 11 публикаций, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 78 наименований. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 29 рисунков и 19 таблиц.

Выводы

1) В ходе проведения исследований была проверена достоверность алгоритма оценки величины коэффициента анизотропии формы зерна при холодной прокатке углеродистых сталей широкого марочного сортамента. Проверка показала, что данный алгоритм позволяет определить коэффициент анизотропии формы зерна структуры стали после холодной деформации с погрешностью, не превышающей 6%.

2) Проверка математической модели оценки средних значений и функций плотности распределения геометрических параметров микроструктуры углеродистых сталей после холодной прокатки показала её достоверность для основных геометрических параметров структуры.

Модель позволяет рассчитывать функции плотностей статистических распределений размера зерна, коэффициента анизотропии формы и угла отклонения оси зерна по параметрам исходной структуры.

3) Исследования влияния геометрических параметров микроструктуры на механические свойства автомобильной стали 08Ю, 8АЕ1015, СНЕ8950, проведенные с использованием базы технологических параметров пятиклетевого стана холодной прокатки 1700 ОАО «Северсталь» показали, что разработанный метод определения механических свойств по среднему значению коэффициента анизотропии формы зерна и определения разброса механических характеристик является достоверным. Отклонения расчетных и экспериментальных значений составили в среднем 5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе в рамках решения поставленной научно-технической задачи повышения точности оценки механических свойств углеродистых сталей на основе применения статистических методов обработки информации о параметрах микроструктуры и ее изменениях в процессе холодной прокатки получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель оценки характеристик зеренной структуры углеродистых сталей после холодной прокатки, позволяющая по известным средним значениям геометрических параметров микроструктуры до деформации (размеру зерна , коэффициенту анизотропии формы зерна и углу отклонения продольной оси зерна от оси изделия ), определить соответствующие средние значения геометрических параметров для микроструктуры холоднодеформированного металла.

2. Разработан метод определения механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке, отличающийся учётом геометрических параметров зёренной структуры и возможностью определения доверительного интервала колебаний этих характеристик при холодной прокатке. Проведенные исследования показали, что отклонения рассчитанных и реальных производственных данных составляют в среднем не более 5%.

3. Разработано полнофункциональное алгоритмическое обеспечение для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей.

4. Поставленная цель достигнута. Точность оценки механических свойств углеродистых сталей на основе применения статистических методов обработки информации о параметрах микроструктуры и ее изменениях в процессе холодной прокатки в 1,5-2 раза превышает точность расчета основных механических характеристик по формулам Третьякова для новых марок сталей. Погрешность оценки механических свойств углеродистых сталей снижена с 12 % до 5-8 %.

1. Гуляев, А. П. Металловедение М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

2. Гарбер, Э. А. Станы холодной прокатки (теория, оборудование, технология) М.: ОАО «Черметинформация»; Череповец: ГОУ ВПО ЧТУ, 2004.-416 с.

3. Чиченев, Н. А. Методы исследования процессов обработки металлов давлением / Н. А. Чиченев, А. Б. Кудрин, П. И. Полухин. М.: Металлургия,1977.-312 с.

4. Загоруйко, Н. Г. Прикладные методы анализа данных и знаний -Новосибирск: ИМ СО РАН, 1999. 270 с.

5. Варпаховский, Ф.Л. Элементы теории алгоритмов М., Просвещение, 1970.-25 с.

6. Игошин, В. И. Математическая логика и теория алгоритмов. М.: Академия, 2008. - 448 с.

7. Рудской, А. И. Теория и технология прокатного производства / А. И. Рудской, В. А. Лунев. СПб, 2005, 540 с.

8. Ильин, Л. Н. Основы учения о пластической деформации М.: Машиностроение, 1980. - 150 с.

9. Урцев, В. Н. Формирование структуры и механических свойств сталей / В. Н. Урцев, В. Ф. Рашников, А. А. Морозов, А. В. Капцан, М. Ф. Сафронов, Ю. Н. Горностырев, В. Л. Корнилов. Магнитогорск, 1998.

10. Горелик, С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов М.: Металлургия,1978. -568с.

11. Гриднев, В. Н. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали / В. Н. Гриднев, В. Г. Гаврилюк, Ю. Я. Мешков. Киев: Наукова думка, 1974, 232 с.

12. Палатник, Л. С. Структура и динамическая долговечность сталей в условиях тяжелого нагружения / Л. С. Палатник, Т. М. Равицкая, Е. Л. Островская. Челябинск: Металлургия, 1988, 160с.

13. Громов, В. Е. Эволюция структуры и свойств сварочной проволоки в процессе волочения / Громов В. Е., Полторацкий JI. М., Подборонников С. Ф.,

14. Козлов Э. В., Котова Н. В. // Известия вузов. -1993. №8. с. 37-40.

15. Целлермаер, В. Я. Субструктурно-фазовые превращения при интенсивной пластической деформации металлов / Известия вузов. Черная металлургия. -1999. №12. с. 44-49.

16. Паргамонов, Е. А. Влияние степени деформации при холодной прокатке на структуру и механические свойства стали 08ГСЮТ / Паргамонов Е. А., Мирошниченко Е. А. // Сталь. 2003. № 10.

17. Катунин, А. И. Изменение параметров субструктуры высокоазотистой стали при холодном волочении / А. И. Катунин, В. Е. Громов, Э. В. Козлов, В. Я. Целлермаер, Г. В. Пушкарева // Известия вузов. Черная металлургия. 1993. №8. - с. 40-42.

18. Филиппов, М. А. Влияние пластической деформации на структуру и упрочнение износостойких метастабильных аустенитных сталей / М. А. Филиппов, В. А. Копылова, В. Е, Луговых. // Известия вузов. Черная металлургия. 1988. №6. - с. 75-79.

19. Панов, А.Г. Исследование микроструктуры методами автоматического анализа изображения ImageExpert Pro 3 и ImageExpert Sample 2. Наб.Челны: ИНЭКА, 2009. - 63 с.

20. Литовченко, С. В. Автоматизация анализа металлографических структур. / С. В. Литовченко, Т. В. Малыхина, Л. О. Шпагина, В. О. Шпагина // Вестник ХНУ. 2011. №960.- с. 215-223.

21. Зайцева, Л.П. Цветная металлография в видимых и ультрафиолетовых лучах / Зайцева, Л.П., Порохова Т.Г. М.: Металлургия, 1964. - 169 е.;

22. Физическое металловедение / Под редакцией Р. Кана, выпуск 2. М.: Мир, 1968-490 е.,

23. Богомолова, H.A. Практическая металлография: Учебник для техн. училищ. 2-е изд., испр. - М.: Высш. школа, 1982. - 272 е.,

24. Салтыков, С.А. Стереометрическая металлография. 3-е изд. - М.: Металлургия, 1970. - 376 е.,

25. Бача, Й. Влияние пластической деформации на структуру и свойства чугуна с шаровидным графитом / Бача И., Чаус А. С. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. №5.

26. Лебошкин, Б. М. Изменение структуры и фазового состава стали Ст2кп с разной подготовкой поверхности на стадии метизного передела / Лебошкин Б. М., Чинокалов В. Я., Громов В. Е., Козлов Э. В. // Труды IV конгресса прокатчиков. Т 1. -М. 2002. С. 339-341

27. Трусов, В. А. Изменение структуры и свойств стали 12Х18Н9 при горячей винтовой прокатке на мини-стане 10-30 / Трусов В. А., Капуткина Л.

28. М., Романцев Б. А., Андреичев М. Ю., Корш С. Г. // Сталь. 2001. № 10 - с. 6365;

29. Павлов, П.А. Механические состояния и прочность материалов Л. -1980.

30. Бобылев, A.B. Механические и технологические свойства металлов. М. -1987.

31. Зюзин, В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / Зюзин В. И., Третьяков А. В. Челябинск: Металл. 1993. - 368 е.;

32. Вишняков, Я. Д. Современные методы исследования структуры деформированных кристаллов. М. Металлургия. - 1975. - 478 с.

33. Вайншетейн, С. Д. Волковметаллургия. -1896. Шт^мшпЗб -МО; А. Количественный анализ структуры сплавов / Металловедение и термическая обработка металлов. 1977. № 5. - с. 69-76.

34. Коджаспиров, Г. Е. Исследование влияния температуры, дробности деформации и скорости охлаждения на структуру и свойства стали 09ГНБ / Коджаспиров Г. Е., Сулягин Р. В. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. №2. - с. 7-10.

35. Ахмед Фуад, М. Ф. Структурные изменения в коррозионно-стойкойстали 03Х26Н6Т с исходной анизотропией / Ахмед Фуад, М. Ф. М. А. Цепин,118

36. A. А. Лобач, О. М. Смирнов. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1991. №9. - с. 20-23.

37. Моляров, В. Г. Геометрическая модель измельчения зеренной структуры в результате рекристаллизации горячекатаной стали / Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. №9. - с. 17-20.

38. Штремель, М. А. Преобразование зерна при первичной рекристаллизации / Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. №6. - с. 2-5;

39. Толпа, А. А. Влияние технологии термомеханической обработки Т-Д на структуру горячекатаной заготовки и проволоки / А. А. Толпа, А. И. Максаков,

40. B. В. Пашинский. // Труды IV конгресса прокатчиков. Т 1. М. - 2002. - с. 336339.

41. Сафонова, В. Н. Влияние степени деформации при волочении на механические характеристики калиброванного металла / В. Н. Сафонова, В. И. Славов. // Известия вузов. Черная металлургия., 2001, № 5, с. 38-40.

42. Белоус, М. В. Влияние холодной пластической деформации на фазовые превращения в сталях / М. В. Белоус, Л. Д. Демченко, Ю. Н. Москаленко, С. И. Сидоренко, Ю. П. Шейко. // Известия вузов. Черная металлургия. 2001. № 9. -с. 43-45.

43. Романцев, Б. А. К вопросу формирования структуры и свойств металлических материалов при винтовой прокатке / Б. А. Романцев, И. Г. Морозова, А. В. Лисовский, Н. Н. Алешин // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2002. №11. - с. 28-30.

44. Соболев, Н.Д. Механические свойства материалов и основы физики прочности / Соболев Н.Д., Богданович К.П. М. - 1985.

45. Хоникомб, Р. Пластическая деформация металлов / пер. с англ. М. -1972.

46. Бернштейн, М. Л. Структура и механические свойства металлов / Бернштейн М. Л., Займовский В. А. М.: Металлургия. - 1970. - 472 с.

47. Бернштейн, М. Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия. - 1977. - 430 с.

48. Чинокалов, В. Я. Влияние структуры низкоуглеродистых сталей на деформируемость при холодном волочении / В. Я. Чинокалов, Л. М. Полторацкий, В. А. Пирогов, В. Е. Громов, Д. М. Закиров // Известия ВУЗов Черная металлургия. 1996. №2. - с. 50-53.

49. Вишняков, Я. Д. Теория образования текстур в металлах и сплавах / Вишняков Я. Д., Бабарэко А. А., Владимиров С. А., Эгиз И. В. // М.: Наука. -1979. -330 с.

50. Третьяков, А. В. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. Справочник / А. В. Третьяков, Г. К. Трофимов, М. К. Гурьянова//М.: Машиностроение. 1971. - 64 с.

51. Модели и алгоритмы описания сопротивления деформации стали при холодной прокатке полос / Приходько И.Ю. и др. // Труды 7-го конгресса прокатчиков. Т.1. 2007. - С.540-549.

52. Статистические исследования влияния технологических параметров производства на механические свойства проката из стали 10Г2ФБ категории прочности Х70 / Пушков В.В. и др.// Бюллетень НТИ. Черная металлургия. -2009.- №12. С.48-53.

53. Тулупов, О. Н. Применение структурно-матричного подхода примоделировании и совершенствовании технологических схем сортовой прокатки120

54. Тулупов О. Н., Поляков М. Г., Завьялов А. А., Арцибашев В. В., Рашников С, Ф. // Труды III конгресса прокатчиков. 2001.

55. Моллер, А. Б. Модель описания настройки сортопрокатного стана при матричном описании формоизменения в калибрах простой формы / А. Б. Моллер, А. А. Зайцев, О. Н. Тулупов. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. -1999. № 10. с. 15 - 18.

56. Кутяйкин, В. Г. Влияние деформации и термической обработки при металлургическом переделе на искажение кристаллической решетки и механические свойства сталей / Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. №8. - с. 13-17.

57. Диаграммы горячей деформации, структура и свойства сталей: справ, изд. /Бернштейн М. Л., Добаткин С. В., Капуткина Л. М., Прокошкин С. Д. М.: Металлургия. - 1989. - 544с.

58. Шаталов, Р. А. Управление листопрокатным технологическим комплексом, обеспечивающее минимизацию энергозатрат / Р. Л. Шаталов, А. Л. Генкин // Металлург. 2008. №9. - с. 31 - 34.

59. Погодаев, А. К.Адаптация и оптимизация в системах автоматизации и управления: Монография / А. К. Погодаев, С. Л. Блюмин. Липецк: ЛЭГИ, 2003.- 128 с.

60. Информационные системы в металлургии: конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов)./ Н. А. Спирин, В. В. Лавров. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет УПИ, 2004. - 495 е.;

61. Гурской, Д. "Вычисления в MATHCAD 12" / Д. Гурской, Е. Турбина . -С-Пб: Питер. 2006. - 544 с.

62. Кудрявцев, Е. Mathcad 11. Полное руководство по русской версии. М: ДМК Пресс. - 2005. - 592с.

63. Бидасюк, Ю. М. Mathsoft MathCAD 11. Самоучитель. Диалектика. -2004. - 224 с.

64. Семененко, М. Математическое моделирование в MathCad. Альтекс-А. - 2003. - 208 с.

65. Соболь, Б. В., Практикум по статистике в Excel. Учебное пособие / Соболь Б.В., Пешхоев И.М., Борисова Л.В., Иваночкина Т.А. Феникс. - 2010. -381 с.

66. Протасов, К. В. Статистический анализ экспериментальных данных. М.: Мир. -2005.- 142 с.

67. Гнеденко, Б. В. Курс теории вероятностей. М.: Наука. - 1976.

68. Бирюкова, Л. Г. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб.пособие / Л. Г. Бирюкова, Г. И. Бобрик, В. И. Ермаков, В. И. Матвеев, Р. В. Сагитов, Е. В. Швед. М.: ИНФРА-М, 2004. - 287 с.

69. Виноградов, А. И. К вопросу о трансформации зеренной структуры металла при пластическом деформировании / Виноградов А. И., Трайно А. И., Сарычева И. А. // Металлы. 2009. №2. - с. 54-60.

70. Вероятность и математическая статистика./ под ред. Прокопчук Д. А. -М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». 2004.

71. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей. М.: Высш. Шк. - 1999. - 576 с.

72. Смирнов, Н. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. Изд. 2-е, испр. и доп / Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. М.: Наука. - 1965. - 511 с.

73. Управляющие вычислительные комплексы: Учебное пособие / Н.Л. Прохоров, Г.А. Егоров, В.Е. Крассовский и др. М. : Финансы и статистика, 2003. - 352 с.

74. Фалк, Г.Б. Технические средства автоматизации и управления: исполнительные устройства: Учебное пособие / Под ред. А.Ф. Каперко. -М.: Московский государственный институт электроники и математики, 2004. -127 с.

75. Выдрин, В. Н. Автоматизация прокатного производства / Выдрин В.Н., Федосиенко A.C. // М.: Металлургия, 1984. - 472 с.