автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности широкополосной горячей прокатки на основе исследования системы "инструмент - заготовка" с подачей технологической смазки

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР^

На правах рукописи

Ярославцев Алексей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ИНСТРУМЕНТ - ЗАГОТОВКА» С ПОДАЧЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

СМАЗКИ

Специальность 05.02.09 — Технологии и машины обработки давлением. Технические науки.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск

2013

005533325

005533325

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Платов Сергей Иосифович

Официальные оппоненты: Куницын Глеб Александрович

доктор технических наук, ОАО «ММК» листопрокатный цех №3, заместитель начальника.

Синицкий Олег Валерьевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», кафедра «Обработки металлов давлением».

В едущая организация - ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет», г. Челябинск.

Защита состоится 17.10.2013г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан «|3» сентября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в области прокатного производства наблюдается переход на новый этап развития. Это связано с модернизацией существующего оборудования, увеличением производительности, а также освоения производства высокопрочных марок сталей (а\>100 МПа) для нужд автомобильной и трубной промышленностей. При этом загрузка главных приводов клетей близко к предельно -допустимым значениям, что накладывает ограничение на технические возможности станов горячей прокатки.

Для снижения энергосиловых параметров процесса горячей листовой прокатки, на современных НШСГП, все чаще находят применение системы технологической смазки (СТС), предназначенные для подачи на валки жидких смазочных материалов (СМ).

В настоящее время отсутствуют четкие рекомендации по назначению расхода СМ, подаваемого на валки при горячей прокатке, в зависимости от сортамента выпускаемой продукции. Поэтому исследования, направленные на разработку новых подходов для поиска и применения рациональных режимов смазывания валков с целью повышения эффективности работы широкополосных станов с применением СМ, являются актуальными.

Объектом исследования в данной работе являются процессы, возникающие при широкополосной горячей прокатке в системе: «полоса -рабочий валок — опорный валок» при использовании систем подачи СМ.

Предмет исследования — валковые узлы клетей системы «кварто» станов горячей листовой прокатки.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является повышение эффективности работы широкополосных станов горячей прокатки, за счет поиска и применения рациональных режимов смазывания валков.

Для реализации и достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка алгоритма и совершенствование методики расчета энергосиловых параметров с учетом применения СМ для широкополосных станов горячей прокатки.

2. Теоретические исследования и оценка влияния СМ на изменение фрикционных параметров контактного взаимодействия в системе «рабочий валок — опорный валок».

3. Совершенствование методики определения расхода СМ и разработка комплекса технических решений для его подачи на валки с учетом особенностей широкополосной горячей прокатки.

Основные положения, выносимые на защиту и отражающие личный вклад автора.

1. Усовершенствованная методика для аналитического определения усилия прокатки, позволяющая учитывать влияние СМ, на изменение протяженности упругого участка в очаге деформации.

2. Усовершенствованная методика для определения расходных параметров СМ, учитывающая изменения трибологических характеристик контактирующих поверхностей, а также свойств СМ.

Научная новизна

1. Показано, что для исследуемой СТС технологическая смазка оказывает влияние на изменение напряженно — деформированное состояние металла в очаге деформации, характеризующееся изменением протяженности упругого участка, увеличение которого составляет 4,5%... 11,1% и уменьшению зоны пластического отставания (хш ) в среднем на 7,4%.

2. Уточнена известная методика А.И. Целикова для определения усилия прокатки Рр) которая впервые дополнена коэффициентом кр(|), учитывающим

наличие СМ в очаге деформации. Получены численные значения кр(|)=0,79...0,93 (¡-номер клети, 1 =7 - 9).

3. Усовершенствована методика определения расходных параметров, учитывающая изменения трибологических характеристик контактирующих поверхностей, а также свойств СМ. Методика дополнена коэффициентом Каа(ф учитывающим характер изменения шероховатости поверхностей. Получены численные значения: для верхних рабочих валков: Кцат=0,41...0,95; для нижних рабочих валков: ККл(1)=0,43...0,98.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования разработанных методик и дополнений на различных станах горячей прокатки, где эксплуатируются современные системы подачи технологической смазки.

1. Разработаны рекомендации по выбору вязкости (г|0) СМ.

2. Разработан подход, позволяющий производить корректировку и выдачу рекомендаций по назначению объемно - расходных параметров СМ.

3. В условиях НШСГП 2000 ОАО «ММК» приняты к использованию рекомендации по назначению расхода и вязкости СМ.

4. Разработаны технические решения, защищенные свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ, позволяющие произвести интеграцию системы СТС в АСУ ТП стана.

5. Материалы исследований рекомендованы для использования в образовательном процессе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности диссертационная работа является прикладным исследованием закономерностей пластического деформирования при продольной широкополосной прокатке в системе «инструмент - заготовка». Исследования направлены на определение рациональных режимов смазывания валков клетей, использование которых обеспечивает снижение энергозатрат при работе прокатного стана. Усовершенствована технология горячей прокатки с применением СМ. Предложены средства автоматизации (интеграция программного обеспечения в АСУ ТП стана), а также рассмотрено влияние СМ на технологию широкополосной продольной прокатки заготовок. Полученные соискателем научные результаты соответствуют пунктам 5,6 и 7 паспорта специальности 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением».

Апробация работы. Основные положения работы представлены: на 68 — 71 межрегиональных научно - технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова» 2009 - 2013г., конференции молодых специалистов ОАО «ММК» 2009 - 2011г., У1-ой международной научно -практической конференции «Интеллект молодых - производству» Украина, Новокраматорск 2010г., Четвертом международном промышленном форуме, Челябинск 2011, УШ-м международном конгрессе прокатчиков, Магнитогорск 2010г., Петербургской технической ярмарке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции. Ш Тес» 2012 - 2013, (с вручением 2-х серебряных медалей и Дипломом за лучший исследовательский проект), Московском международном Салоне изобретений «Архимед» 2012 - 2013 (с вручением золотой и серебряной медалей), Областном конкурсе «Изобретатель Южного Урала», Челябинск 2012 г. В 2010 г. автор стал стипендиатом Законодательного Собрания Челябинской области, а в 2012 г. стипендиатом Правительства Российской Федерации.

Публикации. По теме работы опубликовано 11 печатных работ в научно - технических изданиях, 5 из которых рекомендованы ВАК, получено 6 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура ii объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, в том числе 36 рисунков, 19 таблиц, 2 приложения. Объем библиографии составляет 141 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность проблемы снижения энергосиловых параметров процесса горячей листовой прокатки, решение которой направленно на применение жидких СМ и выборе рациональных режимов смазывания валков.

В первой главе дана оценка современного состояния технологии производства горячекатаной листовой продукции, на основе промышленных и литературных данных. Отмечено, что с увеличением производства, как рядовых, так и высокопрочных марок сталей (as>100 МПа), возникла проблема снижения энергосиловых параметров процесса. Одним из способов снижения энергозатрат при горячей прокатки является использование в технологическом процессе смазочных материалов.

В условиях ОАО «ММК» на непрерывном широкополосовом стане горячей прокатки 2000 в настоящее время используется система подачи технологической смазки, предназначенная для приготовления и дозированной подачи водно-масляной дисперсии на поверхность верхних и нижних опорных валков первых трех клетей чистовой группы стана №7-9 со стороны выхода металла из клети (рис.1.).

Рис. 1.СТС, установленная наНШСГП 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

В данной главе описаны требования, предъявляемые к СМ и их свойствам. Проведенный анализ видов СМ показал, что наиболее эффективно использование жидких СМ, так как они легко удаляемы с поверхности полосы и не приводят к ухудшению качества продукции. Произведен литературный и патентный анализ схем и устройств для подачи технологической смазки на валки при горячей прокатке.

На основе анализа работ авторов: РатнераИ.Д.7 Васина В.Н., Байбородова Ю.И., Галахова М.А. Ф. Килиевича, Д.С. Коднира и др., приведен анализ современных математических моделей, описывающих фрикционное взаимодействие двух контактирующих цилиндрических тел при упругом контакте, а также подходы для определения объемно - расходных параметров СМ.

Приведен анализ литературных источников, в которых отражены подходы и опыт применения СМ и систем их подачи при горячей листовой прокатке. Был произведен анализ известных способов, направленных на повышение энергоэффективности широкополосной горячей прокати, а также показана роль смазочного материала в технологическом процессе на основе работ:

А.П. Грудева, В.Т. Тилика, А.И. Добронравова Л.Г. Тубольцева, В.К. Белосевича, А.К. Чертавских, С.Я. Вейлера, В.И. Лихтмана, В.И. Мелешко, С.Д. Адамского, а также ученых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова (М.И. Румянцев, P.P. Дема, М.В. Харченко). Был произведен анализ известных подходов, описывающих взаимодействие исследуемой системы «инструмент -заготовка» с учетом подачи СМ. В известной работе Харченко М.В., автором были проведены исследования направленные на снижение энергозатрат при широкополосной горячей прокатке за счет применения технологической смазки. Рассматривая вопрос о влиянии СМ на напряженно-деформированное состояния полосы в очаге деформации, автором было установлено, что количество СМ подаваемого на опорные валки НШСГП 2000 ОАО «ММК» по установленной технологии согласно ТИ (0,08л/мин), не изменяет параметров очага деформации. Это в свою очередь не отражается на существенном снижении энергосиловых параметров процесса горячей прокатки. Предложенная методика Харченко М.В. для корректировки расхода СМ позволила снизить энергозатраты, однако автором не были проведены исследования, связанные с изменениями параметров очага деформации при увеличении расхода СМ, а также в предложенной им методике не было учтено изменение трибологических параметров контактирующих поверхностей и свойств СМ.

За время эксплуатации СТС был собран и проанализированы данные, отражающий влияние работы данной СТС на изменение энергосиловых параметров. Установлено снижение энергосиловых параметров прокатки: усилие прокатки Р(7.9), мощность прокатки N^7.9) и момент на валу главного привода МдВ(7.9) в среднем на 3%...10%.

На основе проведенного анализа сформулирована цель и задачи исследования.

Во второй главе для непрерывной чистовой группы клетей широкополосных станов горячей прокатки произведен расчет и сравнительный анализ изменения энергосиловых параметров, с учетом применения СМ.

В основе энергосилового расчета i-ой клети применена методика, разработанная под руководством профессора Э.А.Гарбера, в которой сопротивление деформации полосы определяется с учетом фактического изменения очага деформации в упруго-пластической зоне (рис.2).

Рис. 2. Схема упруго - пластического очага деформации клети НШСГП.

Непосредственно автором для описания энергосилового расчета параметров горячей листовой прокатки с применением СМ, был разработан алгоритм и линейная схема расчета, представленные на рис. 3 и рис.4: где индекс «0» характеризует работу стана без использования СТС; индекс «1» характеризует работу стана с использованием СТС.

Рис.3. Линейная схема расчета энергосиловых параметров процесса горячей прокатки с применением или отсутствием подачи СМ на валки на примере стана 2000 ОАО «ММК»

Рис.4. Блок - схема энергосилового расчета параметров процесса горячей прокатки в ¡-ой клети непрерывной чистовой группы стана

Применение методики, представленной на рис. 4 позволяет при формировании исходной базы данных на основе упруго пластической модели напряженного состояния полосы в очаге деформации определять: значения нормальных (а), контактных, средних (тср) и касательных напряжений (тх(!)), удельных работ (а), мощности прокатки (Ы„р), а также мощности (Ы^) и момента двигателя (Мдв) главного привода ¡-ой клети.

Основываясь на экспериментальных данных, показывающих снижение энергосиловых параметров прокатки на 3% - 10% в разработанный алгоритм впервые было внесено предположение о том, что при попадании СМ в очаг деформации, происходит изменение напряженно - деформированного состояния полосы (рис.3.). С учетом этого, изменяется протяженность зоны скольжения (х1упр), что приводит к изменению касательных напряжений тхй в этой зоне.

_ &h.lynp{xlynp +

К

г fi = k„-kM-kv- (0,55 — 0,00024 • Г) (6) (1) \P~Pvi-F (7)

(2)

Vcpi ~ аф ' па = 1,15 • аф1

(8)

/1-v.2 1 — v5\

^ = СЗ)

Pcpi = у (рл^ + р23х„,, + Р4Х2) (4)

Ici = Vй ■ Mii (5)

^lynp

ХПл.опер + — COTlSt

lynp

X ^lynp

> 0 . > 0

(9)

rUl.OTCT ■

*iv™ rnax

Принимая условие постоянства параметров lCj,(5) зоны Х2 (3) не изменяющегося положения нейтрального сечения решаем совместно систему уравнений относительно (3) и (5) с использованием функции поиска решений в среде MS Excel, а также используя граничные условия (9). Неизвестные параметры, входящие в уравнения (1-5), определялись с помощью уравнений (6-8). В качестве примера в табл. 1 приведен расчет для 7-ой клети, показывающий, что наличие СМ в контакте «рабочий валок - полоса», приводит к увеличению протяженности зоны скольжения (х1упр) в среднем на 7,7% и уменьшению зоны пластического отставания (х„ ) в среднем на 7,4%. Аналогичные расчеты были произведены для широкого сортамента выпускаемой продукции, включающего около 600 различных марок стали и их геометрических размеров. Результаты сравнительного статистического анализа (по двухвыборочному t - тесту при 95% значимости) показали, что наличие СМ в очаге деформации приводит к изменению протяженности упругого участка х^р, увеличение которого составляет от 4,5%...11,1%.

Усилие прокатки Р определялось экспериментальным путем при включенной и выключенной СТС.

Табл.1.

Результаты сравнительного расчета параметров очага деформации для клети №7 НШСГП 2000 ОАО «ММК»

Группа по выкатываемое™ (по толщине) 1д/К Xlynp Хпл. х2 Ц Рср

DX51D (2,0x1280) 3.44 3,44 0.063 0,066 78.79 75,25 2.37 2,37 0.644 0,579 229.61 219,27

08Ю (2,4x1640) 3.42 3.42 0.08 0,09 63.47 56,49 2.43 2,429 0.735 0,677 239,81 213,44

13Г1С-У (7,8x1690) 3.43 3.43 0.074 0,08 72.99 67,88 3.14 3,14 0.674 0,60 266.33 247,69

Примечание: в числителе прокатка осуществляется без СМ, в знаменателе со СМ, 1„/Ьср -отношение дуги захвата к средней высоте сечения прокатываемой полосы, мм; Х],пр -протяженность первого упругого участка, мм.; х2 - протяженность второго упругого участка, мм.; Хщ, - протяженность пластического участка, мм.; ц - коэффициент трения определялся по формуле (б), р„, - среднее контактное напряжение, МПа.

очаг деформации происходит снижение средних удельных давлений (рср), что приводит к снижению мощности (NnKT)), усилия прокатки Рт и момента на валу главного привода (Мдв(7)). Результаты представлены в табл. 2.

Табл.2.

Результаты сравнительного расчета энергосиловых параметров очага деформации для клети №7 НШСГП 2000 ОАО «ММК»

Группа по выкатываемое™ Р(7) Nnp(7) Мдв(7)

(по толщине)

DX51D 25.16 1.897 0.930

(2,0x1280) 23,4 1,765 0,883

08Ю 28.27 4.259 0.941

(2,4x1640) 26,86 4,049 0,909

13Г1С-У 29.57 4.699 0.938

(7,8x1690) 28,33 4,509 0,910

Примечание: в числителе прокатка осуществляется без СМ, в знаменателе со СМ, Р^ — усилие прокатки, МН, Ыпр — мощность прокатки, МВт. Мит - момент на валу главного привода, МН'м Из табл.2 видно, что с подачей СМ происходит снижение энергосиловых параметров процесса горячей прокатки на 4,1% — 6,9%.

При применении СМ происходит снижение усилия прокатки Рр-9)-Полученную базу данных по снижению Р(7.9) обработали с помощью программного пакета «Ла/и/г'са», в результате чего было получено достоверная регрессионная зависимость, при решении которой выведен коэффициент Кр(,), учитывающий изменение Рр-9> Статистическая значимость коэффициента кр(1) определялась по ^критерию Стьюдента. При значимости 94% численное значение кр(|) в зависимости от сортамента выпускаемой продукции и групп по выкатываемости приведено в табл.3.

Табл.3.

Численные значения коэффициента изменений усилий прокатки, в

Параметр Группа по выкатываемости

Ooi (<76 МПа) СУо2 (76-82 МПа) Ооз (82-94 МПа) <*0i (94-102 МПа) <Т<)5 (102-116 МПа)

kp(i) 0,74...0,79 0,78...0,81 0,83..0,87 0,89... 0,91 0,90... 0,93

Значение cr0(i) — определяли по известной методике Л.В. Андреюка, (МПа).

Известная методика А.И. Целикова для определения усилия прокатки Р(,( дополнена полученным коэффициентом кр(|), учитывающим наличие СМ в очаге деформации:

Р(0 = крМ'Рср^Ь, (Ю)

где: Ь — ширина прокатываемой полосы; к^ - коэффициент изменения усилия прокатки, (определяется из табл.3).

Из табл. 2 видно, что при подаче СМ также снижается момент на валу главного привода МдВ(7.9).Для схемы подачи СМ, применяемой на НШСГП 2000 ОАО «ММК», можно предположить что снижение МДВ(7_9), напрямую связано с изменением режима трения в контакте «рабочий валок - опорный валок». Используя аналитическое выражение Е.М. Третьякова для определения Мдв, были произведены расчеты по уравнению (11) для линейной схемы, представленной на рис.2.

«ко)0'1 = ммо - - мхх - ШН • м) (11)

где:

мод = ^со _ (ОМо) ~ (/2срЯя) - (ца)1хх) - (1ххяят (12)

дв(0 О)Г0

определяется по схеме (¡(р) на основе полученных экспериментальных данных; ^„(„^ - мощность прокатки (Вт), угловая скорость валков,

(рад/с), (/(„) - напряжение (В), /(„) - ток двигателя (А), £ - передаточное число, т] - КПД стана, 1ХХ - ток холостого хода, 1хх=5%1„ом, (А), Ля-сопротивление в якорной цепи, (Ом), 1 - номер клети (1 =7...9).

Для схемы (¡(о)) (при отключенной СТС), согласно уравнению (11) по экспериментальным данным был произведен расчет коэффициента трения /тр(экспер)0 и произведено сравнение его с теоретическими значениями /тр(теор)0, полученными по известным методикам Михина Н.М., Крагельского И.В., для упруго - пластического контакта. Для схемы (¡^ (при включенной СТС) были произведены аналогичные расчеты, с использованием методики предложенной Кодниром Д.С. Результаты расчета для 7-ой клети приведены в табл. 4. Расхождение в расчетах в среднем составляет от 2,4% до 4,3%.

Табл.4.

Результаты расчетов момента и коэффициентов трения в межвалковом __контакте с отсутствием или подачей СМ_

Параметры Группа по выкатываемое™

Оо[ (<76 МПа) СТ02 (76-82 МПа) Стоэ (82-94 МПа) <Т04 (94-102 МПа) Со5 (102-116 МПа)

(М^ГГ 0.09 0,04 0.13 0,09 0.23 0,19 0.30 0,27 0.53 0,49

,/тр(экспер) 0,121 0,113 0.175 0,153 0.206 0,192 0.219 0,212 0.342 0,318

/тр(теор) ' 0.118 0,108 0.168 0,147 0.214 0,201 0,229 0,217 0.351 0,335

Примечание: в числителе прокатка осуществляется без СМ, в знаменателе со СМ, (М1р®р"')и'1-момент трения в контакте рабочий валок — опорный валок, МН'м; — коэффициент трения;

Из табл.4, видно что при подаче СМ в контакте «рабочий валок - опорный валок» наблюдается снижение значения /'тр^спер)- Сравнительное значение результатов расчетов также показывают расхождение от 2,3% до 5%.

Третья глава посвящена теоретическим исследованиям и оценки влияния СМ на изменение фрикционных параметров контактного взаимодействия в системе «рабочий валок — опорный валок».

Из анализа известных подходов, для определения контактного взаимодействия системы «рабочий валок - опорный валок» при подаче СМ, за основу расчетов было принято выражение, предложенное Кодниром Д.С., как отношение толщины смазочного слоя (h0> мкм) к приведенному среднеквадратичному значению шероховатости (Ra, мкм) поверхности контактирующих тел. Толщина слоя СМ определялась по известной формуле Ратнера И. Д.

Для статистической оценки влияния воздействующих факторов на показатель X, характеризующего реализацию режима контактного взаимодействия системы «рабочий валок - опорный валок», был применен инструмент "Множественная регрессия" пакета программ "STATISTICA". В ходе оценки была получена регрессионная зависимость (13). Схождение расчетных и экспериментальных данных в среднем составляет не более 5,7%. проверка адекватности модели проводилась по F критерию Фишера (Fi>ac4 = 44,98; F™{'b = 2,4).

Я* = 1,291 - 1,1722 • Ra^ - 1,267 ■ Ra2' + 0,271 ■ h0' 4- 2,0154 ■ И (13)

Статистический анализ уравнения (14) показал, что наибольшее влияние на результирующий показатель X* оказывает толщина слоя (h) СМ, параметры шероховатости поверхности рабочего (Rai) и опорного (Ra2) валков и скорость прокатки.

Используя результаты статистической оценки, целью дальнейшего исследования являлось изучение влияния различных факторов на режим контактного взаимодействия в системе «рабочий валок — опорный валок», с учетом СМ. Как было сказано выше, существенное влияние на безразмерный параметр оказывают значения параметров шероховатости

контактирующих поверхностей опорного (Ra!) и рабочего (Ra2) валков.

Значения параметра шероховатости Ra определялись экспериментальным путем. Полученные данные были подвергнуты статистической обработке и был определен коэффициент влияния шероховатости, учитывающий применение СМ, определяемый как отношение шероховатости валка до эксплуатации к шероховатости валка после эксплуатации. Уравнение для определения коэффициента влияния шероховатости контактирующих поверхностей имеет вид:

к -Каг

(14)

Оценка значимости К"ЯаС0 производилась по критерию Фишера, при уровне значимости 95% (Fpac4 = 43,77; F%'saSl = 2,2l).

Полученное уравнение (14) позволяет учитывать изменение шероховатости в контакте «рабочий валок - опорный валок», с учетом параметра времени t (мин) в пределах одного средневзвешенного монтажа. Границы изменения коэффициента представлены в табл. 5.

Табл. 5.

Границы изменения коэффициента влияния шероховатости поверхности

№ Клети Верхние валки Нижние валки

7 К„ят=0,41-0,92 KRrfrt=0,43-0,91

8 KRaM=0,45-0,93 К„ят=0,66-0,95

9 KRam=0,55-0,95 KRam=0,47-0,98

С учетом полученного коэффициента влияния шероховатости К^ц, формула, предложенная Кодниром Д.С. для определения контактного взаимодействия системы «рабочий валок — опорный валок» при подаче СМ, по методике Коднира Д.С., приобретает вид:

ЗД7 ■ 0)„ ■ • а« ■ (kg^ • ' • 4mi С*)"«

ли, t) ---11---

RarJl + K*a(t)

(15)

где: х — длина бочки валка; I — параметр времени средневзвешенного монтажа, мин; Т|0 - динамическая вязкость масла при атмосферном давлении и рабочей температуре, Па-с; и^ — скорость прокатки, м/с; а -пьезокоэффициент вязкости, Па"1; рпр - приведенный радиус кривизны поверхностей трения, м; ят[(х) —погонная нагрузка (давление металла на валок), Н/м.; квдн пв'н - коэффициент, учитывающий изменение линейных размеров валков. Значение к;(()ИПв'н, определялось на основе экспериментальных данных. Получены численные значения коэффициентов: для верхних рабочих валков: к;(,)„п.=1...1,5; для нижних рабочих валков кади.п=1---2,1; 1 - номер клети.

Поскольку сортамент, производимый на стане достаточно разнообразен, то для поддержания режима контактного взаимодействия системы «рабочий валок - опорный валок» на всех группах выкатываемости, была решена задача по определению рекомендуемой вязкости (т|0) СМ. Решением уравнения (15) относительно параметра т|0 получено выражение (16). Расчет производился с учетом температуры на контакте «рабочий валок-опорный валок» (1=80°), согласно ТИ 101-П-ГЛ10-374-2010 стана 2000 ОАО «ММК». Результаты расчета представлены в табл. 6.

щСО :

1 + KRa(t)

2,35-Rai ■

Табл. 6.

Значения рекомендуемой вязкости СМ в зависимости от групп по выкатываемости, для сортамента, выпускаемого на стана 2000 ОАО «ММК»

Параметр № Ooi Ö02 <704 Oos СГоб

клети (<76 (76-82 (82-94 (94 - 102 (102- (116>

МПа) МПа) МПа) МПа) 116 МПа) МПа)

Динамическая 7 8,05- 8,09- 8,14- 8,5-12,47 8,51- 8,64-

вязкость чоПа с 11,82 11,87 11,95 12,48 12,67

8 8,06- 8,1- 8,14- 8,23- 8,32- 8,55-

11,84 11,89 11,94 12,08 12,21 12,54

9 7,91- 7,sa- 7,97- 8,09- 8,18- 8,46-

11,61 li,48 11,71 11,87 12,01 12,42

Предложенные рекомендации внедрены в условиях ЛПЦ-10 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

Четвертая глава посвящена разработке и внедрению в условиях действующего производства технологии подачи СМ, с учетом особенностей процесса широкополосной горячей прокатки. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- определение и корректировка установленных/текущих расходов СМ с учетом изменяющихся трибологических параметров (ki(t)„nB'H, KRa(t)) контактирующих поверхностей, а также свойств CM (ri0);

- разработка нового технического решения для совершенствования применяемой СТС на стане 2000 ОАО «ММК»;

- разработка технологии и интеграция программ для ЭВМ в АСУ ТП стана 2000 ОАО «ММК» с целью автоматизированного выбора, корректировки режимов смазывания валков, а также снижения энергозатрат в зависимости от сортамента выпускаемой продукции.

Рекомендации по выбору и корректировке объемно — расходных параметров СМ в зависимости от сортамента, текущего значения параметров шероховатости (Rab Ra2, KRa(t)), а также износа рабочих валков (к^ип"' ) в течении межперевалочного периода tK0He.„ определялись согласно зависимости:

(17)

где:<2(у - текущий расход СМ для i-ой клети (¡=7-9) при прокатке j-ой заготовки в зависимости от группы по выкатываемости; Qo i.j — установленный расход СМ для i-ой клети (¡=7-9) при прокатке j-ой заготовки, определяемый согласно зависимости (18), численное значение приведено в табл. 7;

Qi,j(üt)dt - изменения текущего расхода СМ к установленному в интервале времени (At — 0,30.. tKimey). Исходя из технических характеристик установленной системы подачи СМ, интервал времени принимается равным 30 минут.

Установленный расход СМ для ¡-ой клети определяется из уравнения баланса расхода СМ:

<?о и = X + [ ± (Q"i)]. (18>

rfle:Qa(X)- количество СМ, затраченное на адгезию при контакте с поверхностью валков; Q~1- объем СМ, уносимый с опорных и рабочих валков.

С учетом выражений (17-18) величина характеризующая количество СМ на контакте «рабочий валок — опорный валок» < будет определяться по

уравнению (19)

<W О = i ^2.256 • (•*(*. О • RaJl + KRa(ty)

3 ■ щ • а • v„„ \ /ш0 + о)„

(19)

„ • [1 — е-""»]

где: х - длина бочки валка, мм; ЦхД) - безразмерный параметр, характеризующий режим контактного взаимодействия системы «рабочий

валок - опорный валок» по длине бочки валка, определяется по ф. 14' к;(1)ипв'к

— коэффициент изменения линейных размеров валка; Кр^ - коэффициент влияния шероховатости поверхности (см. табл.5); а>0 - угловая скорость опорного валка, с" ; сор - угловая скорость рабочего валка, с"1; шср -усредненная угловая скорость опорного и рабочего валков, с"1; та -суммарная шероховатость, мкм.

Полученное выражение (19) позволяет производить корректировку режимов подачи СМ за установленное время (в работе принимается как время одного монтажа) с учетом изменяющихся трибологических параметров (к;(()ипв,н, К^,)) и свойств СМ (г|0). Текущие значения и предельно

- допустимые изменения расхода СМ по клетям представлены в табл. 7.

Значения установленного, текущего и предельно

Табл. 7. ■ допустимого изменения

Группа энергоэф-ти, МПа Изменения расхода СМ по клетям (л/мин)

7-ая клеть 8-ая клеть 9-ая клеть

№ СГ<И <2о(./ Уит^ [<?Ы <?о ц к«] Чои Чщел^ Ки1

1 (<76 МПа) 0,10 0,0025 [0,12] 0,15 0,0025 [0,17] 0,31 0,00375 [0,34]

2 (76-42 МПа) 0,14 0,00375 [0,17] 0,13 0,005 [0,17] 0Д1 0,00625 [0,26]

3 (82 - 94 МПа) 0,08 0,005 [0,12] 0,10 0,00375 [0,13] 0,15 0,00375 [0,18]

4 (94 - 102 МПа) 0,07 0,005 [0,11] 0,11 0,0025 [0,13] 0,13 0,00625 [0,18]

5 (102 -116 МПа) 0,06 0,0037 [0,09] 0,09 0,00375 [0,12] 0,14 0,00625 [0,19]

6 (>116 МПа) 0,06 0,00375 [0,09] 0,09 0,00375 [0,12] 0,14 0,00625 [0,19]

В табл.7, предельные допустимые значения расхода СМ ([<2у]) определялись аналитическим путем из условия:

Мр~° •> мпдшоп пп\

Мтр 1 (п) ^ тр (л). (20)

Предложенные рекомендации внедрены в условиях ЛПЦ-10 ОАО

«Магнитогорский металлургический

комбинат».

Для смазывания опорных валков станов горячей прокатки, с целью поддержания режима контактного взаимодействия системы «рабочий валок - опорный валок» на всем сортаменте выпускаемой продукции была доработана существующая на стане 2000 ОАО «ММК» СТС.

Сущность предлагаемого решения

поясняется рис. 5, на котором представлена принципиальная схема системы смазки валков прокатного стана.

Работает устройство следующим образом. При установившемся режиме горячей прокатки для смазки валков в клети для производства полосового проката, которое содержит первую подводящую линию (1) для воды, выходящую из бака (8), и вторую подводящую линию (2) для масла, выходящую из бака (9), разделенного на две секции для последующей подачи

-ш

Рис.5. Принципиальная схема системы смазки валков

масла нужной вязкости на повеохность валков или в межвалковый зазоо. Пои этом обе полволяшие линии П. 21 велут в смеситель (3) для смешивания воды и масла, в котором расположена центробежная струйная система для обоазования мелкой однооодной волной - масляной дисперсии. Полученная диспеосия подаётся в оаспылительные элементы (41. После этого смазочный матеоиал оавномеоно подаётся на поверхность валков (5,6) или в межвалковый зазор (10).

В отличии от уже установленной СТС на стане 2000 ОАО «ММК», для режима смазывания прокатных валков СМ предлагается подводится в смеситель по тангенциальным каналам, образуя вращающийся поток. Вода проходит через центральное отверстие вставки, образуя однородную мелко -дисперсную смесь, которая, попадая на контактные поверхности валков, образует тонкую плёнку, распределенную равномерно по длине всей бочки, в результате чего происходит снижение энергосиловых параметров процесса горячей прокатки и повышается срок службы прокатных валков. На данное устройство подана заявка на полезную модель.

С целью интеграции технологии продольной широкополосной горячей прокатки с применением СМ в АСУ ТП стана был разработан алгоритм (рис.6.), а также комплекс программ для ЭВМ.

Рис.6. Схема интеграции программ для ЭВМ в АСУ ТП стана 2000 ОАО

«ММК»

Алгоритм позволяет при формировании исходной базы данных производить автоматизированный расчет технологических параметров горячей листовой прокатки при подаче смазочного материала на валки, для разработанной схемы, представленной на рис.3.

Произведенная оценка экономической эффективности от разработанных мероприятий, показала, что при снижении удельного расхода энергии в среднем на 4...7% экономический эффект составит порядка 2100 тыс.руб. в год.

Заключение

1. Для исследуемой СТС, установленной на непрерывной чистовой группы клетей стана «2000» ОАО «ММК», доказано, что СМ оказывает влияние на изменение напряженно — деформированное состояние металла в очаге деформации, характеризующееся изменением протяженности упругого участка (х1упр), увеличение которого составляет 4,5%...11,1% и уменьшению зоны пластического отставания (ха1) в среднем на 7,4%. Погрешность в расчетах составляет не более 2%.

2. Экспериментально установлено, что применение СМ позволяет снижать усилие прокатки (Р(7.9)) на 4,19% .... 6,99%. На основе регрессионного анализа, получен коэффициент кР(7_9), учитывающий наличие СМ в очаге деформации. Получены численные значения кр(|)=0,79...0,93 (¡-номер клети 1 =7 - 9). С учетом полученного коэффициента крщ произведено уточнение известной методики А.И. Целикова для определения усилия прокатки

3. С целью определения расходных параметров СМ усовершенствована методика, учитывающая изменения трибологических характеристик контактирующих поверхностей, а также свойств СМ. Методика дополнена коэффициентом К^), учитывающим характер изменения шероховатости поверхностей. Получены численные значения: для верхних рабочих валков: Кяа(1)=0,41...0,95; для нижних рабочих валков: КЯа(,)=0,43...0,98.

4. Для всего сортамента выпускаемой продукции, с учетом фактической температуры на контакте «рабочий валок — опорный валок», получена аналитическая зависимость и разработаны рекомендации для определения вязкости СМ (ч0). Разработана математическая модель, позволяющая с учетом изменяющихся трибологических параметров (К-ка(1)) контактирующих поверхностей, а также свойств СМ (т]0) определять и производить корректировку расхода СМ в пределах каждого монтажа.

5. Аналитическим путем определено численное значение коэффициента трения в контакте «рабочий валок - опорный валок». С применением СМ /трОгеор)1 =0,108...0,335 и без СМ /гр^ор)" =0,118...0,351. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показывает высокую сходимость вычислений и различия между ними не превышают 5%.

6. Разработаны технические решения для совершенствования применяемой СТС на стане 2000 ОАО «ММК».

7. Предложены методики для определения расхода СМ, а также разработан алгоритм, позволяющий производить автоматизированный расчет технологических параметров горячей листовой прокатки при подаче смазочного материала на валки, получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ (№ 2011610630, № 2011611132, № 2011611803, № 2011616120, № 2011618127, № 2013612829).

В ходе работы была также произведенная оценка экономической эффективности от разработанных мероприятий, показала, что при снижении удельного расхода энергии в среднем на 4...7% экономический эффект составит порядка 2100 тыс.руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Ярославцев A.B., Харченко, М.В., Платов С.И. и др. Прокатка труднодеформируемых марок сталей на широкополосном стане горячей прокатки, освоением системы подачи технологической смазки на рабочие валки чистовой группы клетей стана // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. / Под ред. Платова С.И.. Вып. 8. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 288 -296.

2. Ярославцев A.B., Харченко, М.В. Освоение системы и разработка режимов подачи технологической смазки системы MIDAS на опорные валки чистовой группы клетей стана НШСГП «2000» г.п. // Тезисы докладов международной научно - технической конференции молодых специалистов ОАО ММК. - Магнитогорск: ОАО ММК,2009. - С.78-79.

3. Ярославцев A.B., Дема, Харченко М.В. Разработка технологии подачи смазки при горячей прокатке на опорные валки для производства высокопрочных марок сталей в условиях ОАО ММК // «Интеллект молодых — производству 2010». - Сборник тезисов 6-й Международной научно — практической конференции молодых ученых и специалистов. - Украина, Краматорск 2010. — С. 1820

4. Ярославцев A.B., Харченко, М.В., Дема P.P. Разработка технологии подачи смазки при горячей прокатке на опорные валки для производства высокопрочных марок сталей. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 68-й межрегиональной научно-технической конференции / под. ред. Вдовина К.Н. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - С. 307 - 309.

5. Ярославцев A.B., Харченко, М.В., Платов С.И. и др. Разработка рациональных режимов подачи технологической смазки на опорные валки клетей чистовой группы станов горячей прокатки // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: межрегион. Сб. научн. тр. / под ред. В.М. Сапганика. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. - С. 20 -24.

6. Ярославцев A.B., Харченко, М.В., Платов С.И. и др. Исследование режимов обжатий чистовой группы клетей на НШСГП 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» при использовании системы подачи технологической смазки. // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: междунар. Сб. научн. тр. / под ред. H.H. Огаркова. / Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. унта им. Г.И. Носова, 2011.-С. 11-16.

7. Ярославцев A.B., Харченко, М.В., Дема P.P., Дубовский C.B. Комплексная оценка и исследование эффективности системы подачи технологической смазки в клетях №7 - 9 непрерывного широкополосного стана горячей прокатки 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» // Производство проката. — 2011. - №12. - С. 6 - 8. (издание рецензируемое ВАК).

8. Ярославцев А. В., Платов С. И., Амиров Р. Н., Дема Р. Р., Казаков И. В. Математическое моделирование процесса изнашивания рабочих валков клети кварто при подаче смазочного материала. // Черные металлы. - 2012. -№6. Спец. выпуск. - С.54 - 56. (нздание рецензируемое ВАК)

9. Ярославцев A.B., Платов С.И., Дема P.P. Математическая модель процесса изнашивания и прогнозирования срока службы рабочих валков

клети кварто при подаче смазочного материала // Производство проката. —2012. —№9.-С. 38 — 43. (издание рецензируемое ВАК)

10. Ярославцев A.B., Платов С.И., Макаров А.Н., Баранов Г.Л., Дёма P.P. Снижение энергозатрат при горячей прокатке за счет создания режима эластогидродинамического трения в межвалковом контакте. Сообщение 1 // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2012. - № 2. - С. 95-97. (издание рецензируемое ВАК)

11. Ярославцев A.B., Амиров Р.Н., Дема P.P., Лукьянов С.И., Мартынова У.Д. Применение нейронных сетей для моделирования энергосиловых параметров клетей чистовой группы НШСГП 2000 ОАО «ММК» // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2012. - № 2. - С. 102-103. (издание рецензируемое ВАК)

12. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610630 «Автоматизированный расчет расхода смазочного материала на широкополосных станах горячей прокатки». Авторы Ярославцев A.B., Платов С.И., Дёма P.P., Харченко М.В. и др. Правообладатель ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611132 «Автоматизированный расчет фрикционных параметров валкового узла «кварто» при подаче смазочного материала». Авторы Ярославцев A.B., Платов С.И., Дёма P.P., Харченко М.В. и др. Правообладатель ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611803 «Автоматизированный расчет рекомендуемой вязкости смазочного материала при его подаче на валки НШСГП». Авторы Ярославцев A.B., Платов С.И., Дёма P.P., Харченко М.В. и др. Правообладатель ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011616120 «Расчет энергосиловых параметров процесса горячей прокатки в чистовой группе клетей стана при подаче смазочного материала в межвалковый зазор». Авторы Ярославцев A.B., Платов С.И., Дёма P.P., Харченко М.В. и др. Правообладатель ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011618127 «Математическое моделирование процесса изнашивания и прогнозирование срока службы рабочих валков клети кварто при подаче смазочного материала в условиях НШСГП». Авторы Ярославцев A.B., Платов С.И., Дёма P.P., и др. Правообладатель ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013612829 «Разработка технологии прокатки горячекатаной полосы при подаче смазочного материала в межвалковый зазор». Авторы Ярославцев A.B., Платов С.И., Дёма P.P., и др. Правообладатель ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Подписано в печать 06.09.2013 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 510.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

На правах рукописи

04201363394

Ярославцев Алексей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ИНСТРУМЕНТ - ЗАГОТОВКА» С ПОДАЧЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

СМАЗКИ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Технические науки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор С.И. Платов

/

Магнитогорск 2013г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ....................8

1.1. Анализ состояния рынка и динамики изменения объемов производства горячекатаных полос..............................................................................................8

1.2. Анализ известных способов для повышения энергоэффективности широкополосной горячей прокатки....................................................................11

1.3. Роль смазочного материала в технологии производства горячего проката. Общая характеристика и классификация смазочных материалов ... 13

1.4. Технологии и оборудование подачи смазочных материалов.................15

1.5. Обзор существующих математических моделей для описания взаимодействия системы «инструмент - заготовка» при горячей прокатке ..19

1.6. Анализ известных подходов для определения и выбора расхода смазочных материалов..........................................................................................30

1.7. Цель и постановка задач исследования.....................................................35

2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЯ ПОЛОСЫ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ....................................................................................................37

2.1. Определение влияния системы подачи технологической смазки на основные технологические параметры процесса горячей прокатки...............37

2.2. Статистическая оценка влияния СМ на изменение энергосиловых параметров процесса горячей прокатки.............................................................39

2.3. Определение влияние смазочного материла на энергосиловые параметры процесса прокатки на основе напряженно-деформированного

состояния в очаге деформации............................................................................44

2.4. Определение контактного взаимодействия системы «рабочий -опорный валок» при подаче СМ..........................................................................57

2.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ:...............................................................................60

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФРИКЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИЙ - ОПОРНЫЙ ВАЛОК, С УЧЕТОМ ПОДАЧИ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА.........................................................62

3.1. Экспериментальное определение влияния внешних факторов на контактное взаимодействие системы «рабочий - опорный валок» при подаче смазочного материала...........................................................................................62

3.2. Исследование влияния СМ на изменение параметров шероховатости и износа рабочих валков станов горячей прокатки..............................................64

3.2.1. Влияние параметров шероховатости валков на реализацию контактного взаимодействия системы «рабочий - опорный валок» при подаче СМ...........................................................................................................64

3.2.2. Статистическая оценка влияния СМ на изменение параметров шероховатости....................................................................................................68

3.2.3. Аналитическое определение режима трения в системе «рабочий -опорный валок» при подаче СМ.......................................................................79

3.3. Разработка методики для определения рекомендуемой вязкости смазочного материала...........................................................................................79

3.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ:...............................................................................82

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОДАЧИ СМ НА СТАНАХ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ...............................................83

4.1. Математическая модель расчета расхода смазочного материала при горячей прокатки...................................................................................................83

4.1.1. Аналитический расчет объема смазочного материала находящегося во входной и выходной зонах межвалкового контакта.................................84

4.1.2. Определение общего расхода смазочного материала при горячей прокатке..............................................................................................................87

4.2. Проверка адекватности модели расчета расхода смазочного материала для условий горячей прокатки.............................................................................92

4.3. Совершенствование конструкции системы подачи технологической смазки для смазывания опорных валков станов горячей прокатки.................94

4.4. Внедрение результатов исследования на НШСГП 2000 ОАО «ММК»................................................................................................................100

4.5. Расчет экономического эффекта от снижения удельного расхода электроэнергии....................................................................................................102

4.6. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ:.............................................................;...............104

4.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................105

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

107 123

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в области прокатного производства наблюдается переход на новый этап развития. Это связано с модернизацией существующего оборудования, увеличением производительности, а также освоения производства высокопрочных марок сталей (as >100 МПа) для нужд автомобильной и трубной промышленностей. При этом загрузка главных приводов клетей составляет близкое к предельно - допустимым значениям, что накладывает ограничение на технические возможности станов горячей прокатки.

Одним из прогрессивных способов повышения эффективности горячей прокатки является применение технологической смазки. Смазочный материал уже долгое время является важным компонентом в продлении ресурса и срока службы оборудования, а также снижению его износа. На современных НШСГП, все чаще используются системы технологической смазки, предназначенные для подачи на валки жидких смазочных материалов.

В ходе работы был проведен анализ литературных источников, в которых отражены подходы и опыт применения СМ и систем их подачи при горячей листовой прокатке. К основным недостаткам работы таких систем, можно отнести то, что в настоящее время нет четких рекомендаций по назначению расхода СМ в зависимости от сортамента выпускаемой продукции, что приводит к неполному использованию технологических возможностей СТС, и не отражается на снижении энергосиловых параметров процесса горячей прокатки. Был произведен анализ известных способов, направленных на повышение энергоэффективности широкополосной горячей прокати, а также показана роль смазочного материала в технологическом процессе на основе работ: А.П. Грудева, В.Т. Тилика, А.И. Добронравова Л.Г. Тубольцева, В.К. Белосевича, А.К. Чертавских, С.Я. Вейлера, В.И. Лихтмана, В.И. Мелешко, С.Д. Адамского, а также ученых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова (М.И. Румянцев, P.P. Дёма, М.В. Харченко). Был произведен анализ известных подходов, описывающих взаимодействие исследуемой системы «инструмент -заготовка» с учетом подачи СМ. В известной работе Харченко М.В., автором были проведены исследования направленные на снижение энергозатрат при широкополосной горячей прокатке за счет применения технологической смазки. Рассматривая вопрос о влиянии СМ на напряженно-

деформированное состояния полосы в очаге деформации, автором было установлено, что количество СМ подаваемого на опорные валки НШСГП 2000 ОАО «ММК» по технологии согласно ТИ (0,08л/мин), не изменяет параметров очага деформации. Это в свою очередь не отражается на существенном снижении энергосиловых параметров процесса горячей прокатки. Предложенная методика Харченко М.В. для корректировки расхода СМ позволила снизить энергозатраты, однако автором не были проведены исследования, связанные с изменениями параметров очага деформации при увеличении расхода СМ, а также в предложенной им методике не было учтено изменение трибологических параметров контактирующих поверхностей и свойств СМ.

Поэтому исследования направленные на повышение эффективности работы широкополосных станов горячей прокатки, за счет поиска и применения рациональных режимов смазывания валков являются актуальными.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Показано, что для исследуемой СТС, технологическая смазка оказывает влияние на изменение напряженно - деформированное состояние металла в очаге деформации, характеризующееся изменением протяженности упругого участка, увеличение которого составляет 4,5%...11,1%.

2. Уточнена известная методика А.И. Целикова для определения усилия прокатки Р(1); которая впервые дополнена коэффициентом кр(1), учитывающим влияние СМ на изменение контактных давлений. Получены численные значения кр(,)=0,79...0,93 (мюмер клети, 1 =7 - 9).

3. Усовершенствована методика определения расходных параметров, учитывающая изменения трибологических характеристик контактирующих поверхностей, а также свойств СМ. Методика дополнена коэффициентом Киао), учитывающим характер изменения шероховатости поверхностей. Получены численные значения: для верхних рабочих валков: Кка(о=0,41.. .0,95; для нижних рабочих валков: Кка(1)=0,43.. .0,98.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

1. Разработаны рекомендации по выбору вязкости (г|0) СМ.

2. Разработан подход, позволяющий производить корректировку и выдачу рекомендаций по назначению объемно - расходных параметров СМ.

3. В условиях НШСГП 2000 ОАО «ММК» приняты к использованию рекомендации по назначению расхода и вязкости СМ.

4. Разработаны технические решения, защищенные Свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ, позволяющие произвести интеграцию системы СТС и АСУ ТП стана.

5. Материалы исследований рекомендованы для использования в образовательном процессе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

1. По результатам теоретических исследований усовершенствована методика определения расходных параметров, учитывающая изменения трибологических характеристик контактирующих поверхностей, а также свойств СМ.

2. Разработанные мероприятия приняты к использованию на ОАО «ММК».

АПРОБАЦИЯ:

Основные положения работы представлены: на 68 - 71 межрегиональных научно - технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова» 2009 - 2013г., конференции молодых специалистов ОАО «ММК» 2009 - 2011г., VI-ой международной научно - практической конференции «Интеллект молодых - производству» Украина, Новокраматорск 2010г., Четвертом международном промышленном форуме, Челябинск 2011, VIII-ом международном конгрессе прокатчиков, Магнитогорск 2010г., Петербургской технической ярмарке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции. Hi Тес» 2012 - 2013, (с вручением 2-х серебряных медали и Дипломом за лучший исследовательский проект), Московском международном Салоне изобретений «Архимед» 2012 - 2013 (с вручением золотой и серебряной медали), победитель Областного конкурса «Изобретатель Южного Урала», Челябинск 2012 г. В 2010 г. стал стипендиатом Законодательного Собрания Челябинской области, а в 2012 г. стипендиатом Правительства Российской Федерации.

ПУБЛИКАЦИИ: По теме работы опубликовано 11 печатных работ в научно - технических изданиях, 5 из которых, рекомендованы ВАК. Получено 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, в том числе 36 рисунков, 19 таблиц, 2 приложения. Объем библиографии составляет 141 наименование.

1. Современное состояние и перспективы развития технологии широкополосной горячей прокатки

1.1. Анализ состояния рынка и динамики изменения объемов производства горячекатаных полос

Широкополосный горячий прокат является одним из основных видов продукции черной металлургии. Он выпускается в объеме десятков миллионов тонн ежегодно и около 60% продукции используется как подкат для станов холодной прокатки. Остальная часть продукции в виде горячекатаных полос и рулонов предназначается для выпуска сварных труб большого диаметра, изделий автомобилестроения, судостроения и других производств. Все большую долю в сортаменте широкополосных станов занимают высокопрочные марки сталей[1].

Требования, предъявляемые к металлу из высокопрочных низколегированных сталей, сводятся к тому, что он должен иметь высокую прочность (временное сопротивление разрыву, поскольку оно является основной расчетной характеристикой), обладать высоким сопротивлением хрупкому и вязкому разрушению, иметь необходимое значение вязкости при температурах строительства и эксплуатации, обладать хорошей пластичностью и свариваемостью [2].

Толстолистовой прокат из высокопрочных низколегированных сталей в России потребляют многочисленные отрасли народного хозяйства (рисунок 1.1). Наибольший объем поставок тол сто листового проката приходится на трубную промышленность.

Рисунок 1.1. Структура отраслевого потребления толстолистового проката в

России

На примере стана «2000» г.п. ОАО ММК, были произведены исследования изменения динамики объемов выпускаемой продукции за 10 лет (с 2002 г. по 2011 г.). Графически это отображено на рисунке 1.2.

период 2002-2011гг.

На рисунке 1.2 видно, что за отчётный период наблюдается увеличение объема производства горячекатанного листа, который в средним составил 20% (1,5 млн. тонн). Данный прирост наблюдается за счёт освоения и выпуска нового вида продукции, в том числе трубных и высокопрочных марок стали, с сопротивлением деформации >100МПа.

Согласно технологической инструкции [3] стана «2000» г.п. ОАО ММК, весь сортамент выпускаемой продукции разделен на группы по выкатываемости, в зависимости от сопротивления деформации.

Таблица 1.1. Классификация прокатываемого металла по реологическим

характеристикам

Группа по выкатываемости as, (МПа)

1 <76

2 76-82

3 82-94

4 94-102

5 102-116

6 >116

Поскольку марки сталей входящих в 4,5,6 группу, стали производить с 2002 года, то по сравнению с общим объёмом выпускаемой продукции, их производство невелико, и составляет всего 6%. В связи с этим на рисунке 1.3. представлена диаграмма, характеризующая рост выпуска марок сталей с высоким сопротивлением деформации.

140 000,00 120 000,00 100 000,00

i 80 000,00

С? 60 000,00

40 000,00 20 000,00 0,00

1%

-Ш-

U,85%

0,3%-0Д9

,2% 0,2% 0,3% 0,15%

■ 05%

HL

Щ 0,2

/о_ »5% I ■я Шш и

0,8%

0,

0,5%

0,4%|

1%

0,4Í|

JW

0 7%

0.2

1,3% i 0,2°/

Ш

0,6%

эо/ ,Э70

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Год

■ 4-ая группа по выкатываемое™ 6s(82-94 МПа)

■ 5-ая группа по выкатываемое™ 6s(103-116 МПа)

■ 6-ая группа по выкатываемое™ 6s(>116 МПа)

Рисунок 1.3. Динамика изменения объёмов выпускаемой продукции в зависимости от 4,5,6 групп выкатываемости (труднодеформируемых марок

стали)

Из рисунка 1.3. видно, что наблюдается тенденция к увеличению объема выпуска труднодеформируемых марок сталей. По сравнению с 2002 годом, в 2011 году, производство труднодеформируемых марок сталей 4,5,6 групп выкатываемости увеличилось на 18%.

В связи с увеличением производства, как рядовых, так и высокопрочных марок сталей, возникла важная проблема снижения энергосиловых характеристик процесса горячей прокатки.

По мнению автора [1], решение этой проблемы можно осуществить двумя основными путями:

1) созданием экономнолегированных сталей нового поколения;

2) совершенствованием технологии производства металлопроката. Одним из способов снижения энергосиловых характеристик является использование в технологическом процессе прокатки СТС. Начиная с 60-х годов XX века, данные системы начали широко внедряться в различные виды прокатного производства, где в большинстве случаев их использование было оправдано высокой эффективностью.

1.2. Анализ известных способов для повышения энергоэффективности

широкополосной горячей прокатки

В ходе исследований был проведен анализ литературных источников и работ: А.П. Грудева, В.Т. Тилика, А.И. Добронравова Л.Г. Тубольцева, В.К. Белосевича, А.К. Чертавских, С.Я. Вейлера, В.И. Лихтмана, В.И. Мелешко, С.Д. Адамского, в которых отражены способы повышения энергоэффективности при широкополосной горячей прокатки, а также рассмотрены вопросы прокатки с технологическими смазками. Произведенный анализ показал, что в настоящее время одним из прогрессивных способов, направленных на снижение энергосиловых параметров горячей прокатки, является применение смазочного материала (далее по тексту СМ). Смазочный материал призван снижать контактные давления, фрикционные параметры, а также износ валков.

Интенсификация производственных процессов, повышение требований к качеству готовой продукции, рост мощности агрегатов приводят к необходимости отвода большого количества тепла и обеспечения

минимальных потерь на трение. Процесс трения непосредственно определяет состояние и качество обрабатываемых поверхностей. Все эти требования обеспечиваются применением различ�