автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Повышение ресурса рабочих валков листовых станов горячей прокатки за счет применения систем технологической смазки

На правах рукописи

Амиров Руслан Низамиевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА РАБОЧИХ ВАЛКОВ ЛИСТОВЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СМАЗКИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559081

Магнитогорск - 2014

005559081

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Платов Сергей Иосифович доктор технических наук, профессор

Трайно Александр Иванович доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории «Пластическая деформация металлических материалов» Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН

Шмаков Антон Владимирович кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Квик Ресто» г. Москва.

Ведущая (оппонирующая) организация

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск.

Защита состоится 26 «декабря» 2014 г. 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 и на сайте ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»,

http://vvww.magtu.ru/obshchie-svedeniya/stшkíuгa-i-organy-upгavleniya/stшkturnye-podrazdeleniya/obshcheuniveгsitetsk^e-sIu2hby/nauchnye-sluzhby/otdel-dissertatsionnykh-sovetov/informatsiya-o-zashchishchennoj-i-pгedstavlennoj-k-zashchite-dissertatsii-na-soiskanie-uchenoj-stepeш-kandidata-пauk-пa-soiskanie-uchenoj-stepeni-doktora-nauk/2553-

аггмгоу-п.151ап-шгагше vich.html

Автореферат разослан « »_2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Горячекатаная сталь относится к одному из наиболее востребованных видов продукции черной металлургии. Наряду с постоянно возрастающими требованиями к качеству горячекатаного листа важной задачей является увеличение объема выпускаемой продукции, в частности, за счет повышения ресурса рабочих валков листовых станов горячей прокатки.

Одним из способов повышения эффективности горячей прокатки является применение смазочного материала (далее по тексту СМ), который уже долгое время является важным компонентом в продлении ресурса и срока службы оборудования.

Для снижения износа прокатных валков и энергосиловых параметров процесса горячей листовой прокатки на современных непрерывных широкополосных станах горячей прокатки (далее по тексту НШСГП) все чаще находят применение системы подачи технологической смазки (далее по тексту СТС), предназначенной для подачи жидких СМ на валки. На стане 2000 ОАО «ММК» установлена подобная система, при помощи которой СМ в виде водомасляной дисперсии подается на опорные валки первых трех клетей (№7-9) чистовой группы стана.

В настоящее время отсутствуют четкие рекомендации по увеличению межперевалочного периода в зависимости от сортамента выпускаемой продукции при применении СМ. Поэтому исследования, направленные на разработку новых подходов для формирования монтажей с целью повышения ресурса рабочих валков чистовой группы клетей станов горячей прокатки, а также оценки качества горячекатаных полос по критерию разнотолщинности, являются актуальными.

Объект исследования - непрерывная чистовая группа клетей «кварто» станов горячей листовой прокатки.

Предметом исследования в данной работе является процесс изнашивания прокатных валков при широкополосной горячей прокатке в системе «опорный валок - рабочий валок - полоса» при использовании систем подачи СМ.

Целью данной работы является повышение ресурса рабочих валков чистовой группы клетей станов горячей прокатки при применении СТС с учетом их износа.

Для реализации и достижения поставленной цели в работе решаются задачи:

1. Исследовать и оценить влияние смазочного материала на изменение технологических параметров процесса горячей прокатки для всей непрерывной чистовой группы клетей стана.

2. Выполнить математическое моделирование процесса (объемного) изнашивания рабочих валков чистовой группы клетей станов горячей прокатки с применением СМ и вероятностную оценку безотказной работы прокатных валков по предельному значению их износа.

3. Разработать математическую модель профиля износа рабочих валков для чистовой группы клетей широкополосных станов горячей прокатки, в основу которой положены статистические методы.

4. Разработать технические предложения, направленные на повышение ресурса рабочих валков за счет применения СМ. Внедрение предлагаемых мероприятий в промышленных условиях и анализ эффективности их применения.

Научные результаты, выносимые на защиту

Лично автором:

1. На основе анализа экспериментальных исследований выявлено, что СТС, установленная на первых трех клетях, оказывает влияние на снижение энергосиловых

параметров прокатки во всех клетях непрерывной чистовой группы стана; на основе регрессионного анализа произведено обобщение результатов исследования влияния смазочного материала на изменение токовой загрузки главных приводов; получены уравнения и численные значения коэффициентов влияния смазочного материала на изменение токовой загрузки главных приводов.

2. Получены численные значения энергетического показателя изнашивания как с применением, так и при отсутствии СМ для всех клетей чистовой группы стана.

3. Разработана модель прогнозирования величины износа поверхности рабочих валков в зависимости от произведенного сортамента за период эксплуатации.

4. Предложены и обоснованы технические решения по увеличению ресурса рабочих валков с применением систем подачи технологической смазки.

Научпая новизна

1. Впервые получены регрессионные уравнения, описывающие влияние смазочного материала на изменение энергосиловых параметров всей чистовой группы клетей станов горячей прокатки и определены численные значения коэффициентов влияния СМ на изменение токовой загрузки главных приводов.

2. Впервые установлено, что применение СМ приводит к смещению нейтрального сечения в структуре очага деформации в направлении прокатки и оказывает влияние на изменение напряженно-деформированного состояния металла.

3. Разработаны зависимости, описывающие изменение профиля поверхности рабочих валков чистовой группы непрерывных широкополосных станов горячей прокатки.

4. На основе экспериментальных данных аналитически определены энергетические показатели изнашивания для рабочих валков чистовой группы клетей станов горячей прокатки.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны рекомендации по увеличению ресурса рабочих валков НШСГП.

2. Определен подход корректировки и выдачи рекомендаций по формированию монтажей на различных станах горячей прокатки, на которых применяются СТС.

3. Разработанные технические решения рекомендованы к внедрению в условиях действующего производства, что подтверждено соответствующими актами.

4. По результатам исследований получено 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ (№ 2011611132; 2011616120; 2011618127" 2013612829).

5. Материалы исследований рекомендованы для использования в образовательном процессе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности данное диссертационное исследование носит прикладной характер для изучения закономерностей пластического деформирования горячекатаной полосы при продольной широкополосной прокатке в системе «полоса-рабочий валок» с применением технологической смазки. Исследование направлено на создание технологий широкополосной горячей прокатки с целью изготовления изделий высокого качества по критерию поперечной разнотолщинности полосы. Полученные соискателем научные результаты соответствуют пунктам 5,7 паспорта специальности 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением».

Апробация работы.

Основные положения работы представлены на: 70-72 межрегиональных научно -технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» 2012-2013 гг., конференциях молодых специалистов ОАО «ММК» 2011-2013г., Петербургской технической ярмарке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции. Hi Тес» 2012-2013 гг. (с вручением 2-х серебряных медалей и Диплома за лучший исследовательский проект), Московском международном Салоне изобретений «Архимед» 2012-2013 гг. (с вручением золотой и серебряной медалей), XIX-ой международной промышленной выставке Металл-Экспо 2013 (лауреат конкурса «Молодые ученые» с вручением премии).

Публикации. По теме работы опубликовано 12 печатных работ в научно-технических изданиях, 5 из которых рекомендованы ВАК, получено 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, в том числе 70 рисунков, 29 таблиц, 2 приложения. Объем библиографии составляет 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность, выявлены и проанализированы научные и технические проблемы современных широкополосных станов горячей прокатки, в частности, вопросы направленные на повышение ресурса рабочих валков. Сформулированы цель, задачи исследования и положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе промышленных, патентных и литературных данных представлена оценка состояния современной технологии производства горячекатаной продукции. Поскольку требования, предъявляемые к качеству горячекатаного листа, постоянно возрастают, то важной задачей для широкополосных станов горячей является увеличение объемов выпускаемой продукции. Одним из способов повышения объемов и снижения энергозатрат для станов горячей прокатки при производстве полос является использование в технологическом процессе СТС.

В условиях ОАО «ММК» на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки 2000 внедрена система подачи технологической смазки, предназначенная для приготовления и дозированной подачи водно-масляной дисперсии на поверхность верхних и нижних опорных валков первых трех клетей (№ 7-9) непрерывной чистовой группы стана со стороны выхода металла из клети. В настоящее время проведен ряд исследований, на основе которых установлено, что СМ оказывает положительное влияние на снижение энергосиловых параметров в первых трех клетях чистовой группы в среднем на 5-8%. Однако в работах в области прокатного производства авторами не рассматривается вопрос о влиянии СМ на изменение энергосиловых параметров в последующих клетях (№10-13). Также не рассматривался вопрос о влиянии СМ на изменение износа прокатных валков. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что применение СМ приводит к снижешпо износа рабочих валков и уменьшению съема при перешлифовке.

Поэтому при увеличении объемов выпускаемой продукции, которое возможно при повышении ресурса рабочих валков, в работе поставлена задача прогнозирования износа рабочих валков для оценки текущего контроля качества горячекатаной продукции по критерию поперечной разнотолщинности (5Ь < [5Ь] согласно ГОСТ 19903).

Во второй главе проведены исследования, направленные на изучение вопроса влияния смазочного материала на изменение энергосиловых параметров процесса горячей прокатки для всей непрерывной чистовой группы клетей стана 2000 г.п. ОАО «ММК». Целью исследования является оценка влияния СМ на последующие клети №10-13. Был произведен набор экспериментальных данных, выявивших влияние СМ на изменение параметров горячей прокатки. В качестве основного параметра принимали усилие прокатки (рис. 1.).

Рисунок 1 - Усредненное значение усилия прокатки для клетей №10-13

На наш взгляд полученный результат можно объяснять следующим образом:

1. В результате адгезии на поверхности рабочих валков клетей №7-9 СМ попадает на полосу и выгорает, в следствие чего образовавшиеся зольные осаждения оказывают влияние на снижение касательных напряжений трения в контакте рабочий валок-полоса в последующих клетях №10-13.

2. Поскольку в настоящее время существующее программное обеспечение СТС не интегрирована в АСУ и ТП стана, то влияние СМ на изменение технологических параметров можно оценивать как возмущающий фактор, способствующий перенастройке стана.

Для выявления качественной взаимосвязи параметров прокатки с применением СТС в клетях №7-9 и оценки влияния СМ на клети №10-13 был проведен статистический анализ экспериментальных данных. Обработке были подвергнуты данные, полученные в результате прокатки полос различного типоразмера и сортамента горячекатаной продукции.

По результатам статистической обработки построены зависимости, описывающие изменения параметров прокатки применительно для клетей №10-13 (табл.1). Статистическую значимость регрессионных зависимостей проверяли по Б-критерию.

В качестве расчетного параметра был выбран момент на валу главного привода Мдв, который рассчитывали по токовым характеристикам:

„ _ С(Ц(п)/(п)) - (/2(п)Дя) - 0(п)4х) - УМУгЛ т

Мдв (я)----, С)

(71)

где а)(п)- угловая скорость (рад/с); [/(п) - напряжение (В); /(п) - ток двигателя (А); ^ 1 _ передаточное число; Г] - КПД стана; -ток холостого хода; 1ХХ=0,051НОМ (А); Яя- сопротивление в якорной цепи (Ом); П — номер клети (П =7... 13).

Численные выражения зависимостей табл. 1 (табл. 2 и рис. 2) характеризуют изменение коэффициентов к'с„, учитывающих наличие смазочного материала в зависимости от сопротивления деформации.

м™ = М0в(/4,). (2)

Таблица 1 - Регрессионные зависимости, отображающие влияние СМ на изменение токовых характеристик процесса прокатки

Номер клети Регрессионные зависимости.

10 I" VI — = -0.257+1.03 - / Ц) \ / р„ =301,64 ;Р [1,81 + 3,6x10 4<т02 ; ;2,87]=4,8

И у/ ( Рп —г = -0.485+1.21 - / Р0 =463,76; Б [1,15 + 0.005Ьо; ;2,81]=12

12 -^- = -0.49+0.133 — +0.731-0.06 1' \Р') ХСраб) р„ =145,51;Б [1,41;1,4]= ( п°» Т+о.(р//Т; \Праб) ^ 6,5

13 1И //>"1 — =-0.08+0.14; —- +2.1 1 1 р ) Б, =904,4; Р[1,14;б ,931=25,8

Примечание: верхний индекс «/» указывает на отсутствие СМ; индекс «//» указывает на присутствие СМ; Ьо-длина бочки опорного валка, м; оп-сопротивление деформации, МПа (определяли согласно методике Андреюка-Тюленева); (Д,и О,, мм)- диаметр опорного и рабочего валков; Р- усилие прокатки, МН.

Таким образом, коэффициенты (к'с„), учитывающие наличие смазочного материала в клетях №7-9, для последующих клетей чистовой группы стана №10-13, представленные зависимостями табл. 1, можно использовать для расчета энергосиловых параметров горячей листовой прокатки.

Таблица 2 - Изменение к!см в зависимости от сопротивления деформации для клетей № 10-13 НШСГП 2000 ОАО «ММК»

Сопротивление номер клети

деформации, МПа 10 11 12 13

74,1... 76,5 0,893 - 0,921 0,873-0,911 0,901-0,907 0,952-0,964

76,7... 77,9 0,904-0,922 0,9-0,912 0,903-0,908 0,949-0,953

78,2... 79,1 0,912-0,932 0,914-0,926 0,905-0,911 0,953-0,954

80,6... 80,8 0,891-0,9 0,869-0,893 0,896-0,901 0,961-0,964

92 0,875 0,875 0,904 0,9844

76,5 76,7 77,9 78,2 79,1 80,6 80,8 сопротивление деформации о0 МПа

Рисунок 2 - Изменение к'см в зависимости от сопротивления деформации для клетей № 10-13 НШСГП 2000 ОАО «ММК»

При использовании СТС наблюдается снижение энергосиловых параметров процесса горячей прокатки, которое приводит к изменению контактного взаимодействия в системе «опорный валок-рабочий валок-полоса», характерное для всей непрерывной чистовой группы клетей стана. Применение СТС в процессе горячей прокатки позволяет ставить и решать задачи, направленные на увеличение ресурса рабочих валков.

Третья глава посвящена разработке математической модели процесса изнашивания и прогнозирования ресурса рабочих валков чистовой группы клетей станов горячей прокатки с применением СМ.

На основе анализа работ: В.П. Анцупова, В.Н. Заверюхи, В.М. Клименко, И.В. Крагельского, Н.М. Михина, A.B. Чичинадзе и др, была предложена математическая модель, в основу которой заложено базовое уравнение изнашивания твердых тел, в котором текущий объемный износ (ДУ) рабочих валков соответствует совершенной на его поверхности работе на преодоление сил трения (Атр) в пределах одного средневзвешенного монтажа (/):

' ne(0,l)Ampne(0 lj (О ~ J,

N t

пе(0,1) Утр„е(01)'>

(3)

ТЭН

где J - энергетический показатель изнашивания рабочего валка, мм3/Нм; Атр -мощность, затраченная на преодоления сил трения, Вт; (0)- без применения СМ, (1) -с применением СМ; п- номер клети (7-13); е- положение валка (верхний/нижний). Ресурс рабочего валка:

Г, 1 №пе(0,1)\

FL0J 7 = ■

тРпе -* ~

J3H N

пе (0,1) тр Wnef0,Jj\

/эн F пе (0,1) тРпе (0,1)

(4)

(5)

где [А VnefO.l)\ - предельное значение изношенного материала, кг;

\L 1

L "'PneJ ой клети, км.

путь трения, пройденный рабочими валками при прокатке полос в п-

Энергетический показатель изнашивания предварительно определяли аналитическим путем на основе экспериментальных данных как среднеарифметическое значение выборки по десяти значениям средневзвешенного сортамента в рамках каждого монтажа:

/ ¡0 лу

где /=1-10 — номер рабочего валка одного типоразмера.

Работа на преодоление сил трения на контактной поверхности 1-го рабочего валка

А = / (7)

тРпе тРпе тР пе'

где Ь - путь трения, определяли на основе полученных экспериментальных дан-тРпе

ных из цеховой программы учета (машинное время, сек, обжатие в каждой клети, мм, диаметр, мм и скорость, м/с прокатных валков).

Поскольку на практике принята линейная оценка износа рабочих валков, замеры производили при помощи пассометра по 17 равноудаленным точкам поверхности бочки валка. Перед проведением замеров валки, выведенные из эксплуатации, выдерживали в цеху не менее 6 часов. Измерение проводили при температуре не более 40°С на контактной поверхности валка. Контроль температуры производился по двум контрольным замерам в центре и на краю бочки валка. Произведено более 10 замеров профиля для верхних и нижних рабочих валков клетей (№7-13). В качестве примера на рис. 3 и 4 представлены усредненные результаты за вычетом грубых погрешностей для верхних и нижних рабочих валков клети № 7.

Рисунок 3 - Усредненные значения профиля верхних рабочих валков клети №7

Рисунок 4 - Усредненные значения профиля нижних рабочих валков клети №7

Линейные замеры износа рабочих переводили в объемные:

ЛУп = Уп0-УпГ (8)

В основу построения математической модели для вычисления объема изношенного материала было положено определение объема усеченного конуса путем разделения рабочей поверхности на равные элементарные фигуры, так как валок имеет вогнутую форму.

Расчетные значения изношенного материала представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Усредненные значения рассчитанной массы изношенного материала как с применением смазочного материала, так и без него

Номер клети Положение валка С применением СМ Без применения СМ %

7 Верхний 1,165 1,36 -14,3

Нижний 1,09 1,30 -16,0

8 Верхний 1,3 1,78 -26,9

Нижний 1,464 1,73 -18,2

9 Верхний 1,926 2,70 -28,0

Нижний 2,30 2,32 -0,86

10 Верхний 6,76 8,55 -20,93

Нижний 9,08 9,92 -8,46

11 Верхний 5,75 7,10 -19,01

Нижний 7,13 7,38 -3,38

12 Верхний 7,04 8,20 -14,15

Нижний 7,82 8,76 -10,73

13 Верхний 4,69 5,83 -19,55

Нижний 5,58 6,22 -10,29

При расчете значений энергетического показателя изнашивания, силы трения на контакте рабочий-опорный валок не учитывали в связи с ее минимальным вкладом в составляющую износа. Для определения силы трения на контакте рабочий валок-полоса использовали известный подход проф. Гарбера Э.А. на основе упруго-пластической модели очага деформации. Используя экспериментальные данные, был произведен сравнительный расчет, который показал, что технологическая смазка оказывает влияние на изменение напряженно - деформированного состояния металла в очаге деформации, характеризующееся смещением нейтрального сечения (0,53-6,95% от суммарной величины зон упругого сжатия (Х1упр) и пластического отставания (Хпл отст) полосы) в направлении прокатки. Полученные данные были использованы для определения неизвестного параметра - коэффициента плеча (¥).

По результатам исследований получены статистически значимые регрессионные зависимости для определения коэффициента плеча Т (табл. 3) при горячей прокатке в чистовой группе клетей (№7-13) как с применением, так и с отсутствием СТС.

Таблица 3 - Регрессионные зависимости коэффициента плеча Ч', для всей чистовой группы клетей

= 56,45581 -0,00408Р -0.00077+ 0,000328рср -0,02192И„ + + 0.02192ЛИ - 0,036731л - 0,13465+ 0,002499<т + 2,391289и Рр =44,98, Р[0,05;5]=2

ЧГа = 5,159226 - 0,0002Зг^ + 0,010397Р-0,00015рср - 0.02501И,, -- 0,335ИЛИ + 0.1154261д - 0,02003Яраб - 0,00259ст + 0,006257и =61,28, Р[0,05;5]=2,4

•г9 = 64.5598 - 0,00687- 0,01703Р + 0,000171Рср + 0.03757кИ -- 0,99815ЛИ + 0.2951821д - 0,18403Яраб - 0,002041сг + 0,016809и Рр =44,28, Р[0,05;5]=2,4

У,а = —2.53 - 0,00995гс„ + 0,012021Р - 0,00012рср - 0,004392--0,905401АИ~0.143541д + 0.011648Яраб+0,00614сх + 0,013059и Рр =64,14, Р [0,05;5]=2,4

Уи = 1.04793 ~0,00123гач + 0,031458Р-0,0005рср + 0.00083кн -- 0,20667ЛИ - 0.00791д - 0,000006Яраб ~ 0,0041бег + 0,00039о Рр =76,45, Р[0,05;5]=2,4

продолжение таблицы 3

%2 = -11.6217 - 0,03595ZCM + 0,015615Р- 0,00095рер - 0,0479h„ -- 3.29741Ah + ft 4039991д + 0.017062Rpa6 - 0,006404ст + 0,0055и Fp =56,15, F[0,05;5]=2,4

Vl} = 1.834203306 - 0,016051588ZCM + 0,0394221889Р -- 0,0005666439рср - 0,041193948hH -1.266877285Ah + + 0.1176737551д -0.00671636Rpai; + 0.000338876а+ 0,003428326и Fp =48,56, F[0,05;5]=2,4

Примечание: Р- усилие прокатки, МН; наличие смазочного материала (1), отсутствие (0); рср - среднее контактное напряжение, МПа; Ь„ - толщина полосы в нейтральном сечении, мм; ЛЬ- абсолютное обжатие, мм; и- длина дуги очага деформации, мм; Яр,¡¡-радиус рабочего валка, мм; о-сопротивление деформации Мпа; и-скорость прокатки, м/с.

Совместным решением ф. (5)-(7) получены численные значения показателей изнашивания Л''" (табл. 4).

Таблица 4 - Расчётные значения энергетического показателя изнашивания

Номер клети Положение валка J3H* 10-9 Номер клети Положение валка J'" * 10'"

С подачей СМ Без подачи СМ С подачей СМ Без подачи СМ

7 верхний 3,78 6,347 10 нижний 19,38 19,976

нижний 3,48 6,177 11 верхний 9,1949 12,102

8 верхний 2,94 5,29 нижний 10,426 12,027

нижний 3,96 4,88 12 верхний 8,6162 11,87

9 верхний 4,16 6,215 нижний 6,5971 12,918

нижний 6,92 5,351 13 верхний 6,3227 10,588

10 верхний 14,767 19,398 нижний 8,8499 11,291

Полученные значения показателя изнашивания использовали для построения прогнозных значений ресурса рабочих валков (формула 5) чистовой группы клетей стана 2000 г.п. с работающей СТС. Результаты расчетов с учетом наложенных на модель ограничений представлены в табл. 5. В качестве ограничений выбраны следующие условия:

1. Надежность валков по критерию контактной (усталостной) прочности:

N„ < Nn.np, (9)

где Nn- количество циклов нагружения; Nn.np- соответствующее число циклов, которое может выдержать образец до разрушения.

2. Согласно рекомендациям, принятым на ОАО «ММК»:

- предельное значение изменения линейных размеров рабочего валка в рамках одного монтажа [AR];

- предельная длина прокатываемой полосы L', определенная согласно ТИ НШСГП 2000 ОАО «ММК», км.

Вероятностная оценка максимально допустимой длины проката при соблюдении условий безотказной работы прокатных валков (табл. 5), где за максимальную длину проката для каждой клети принимается минимальные из рассчитанных значений (например, для клети №9 принимаем 86,42 км).

Таблица 5 - Увеличение ресурса рабочих валков

Номер клети Фактические значения наработок, КМ Положение валка Прогнозные значения длины прокатываемой полосы с применением СМ и учетом ограничений, км Вероятность безотказной работы Р{и)-0.5 \ а ) Р{Ь') = 0.8

7 33,047 верхний 44,79 Принимается

нижний 66,10 Отклоняется

8 53,2738 верхний 71,72 Отклоняется

нижний 65,75 Принимается

9 77,378 верхний 146,63 Отклоняется

нижний 86,42 Принимается

10 105,786 верхний 121,56 Отклоняется

нижний 110,18 Принимается

11 124,2676 верхний 173,79 Принимается

нижний 175,69 Отклоняется

12 148,58 верхний 178,62 Отклоняется

нижний 168,67 Принимается

13 17f верхний 215,77 Отклоняется

нижний 181,35 Принимается

На основе полученных экспериментальных данных, а также по результатам аналитического расчета с вероятностью P0,s(t), возможно увеличение ресурса рабочих валков с применением СМ в среднем на 25%.

Одним из параметров качества горячекатаной продукции по ГОСТ 19903 является критерий поперечной разнотолщинности. При оценке ресурса рабочих валков необходимо произвести качественную оценку соответствия условию 5h/ > [5h]. С этой целью необходимо на основе статистического подхода описать износ рабочих валков.

Четвертая глава посвящена математическому описанию износа рабочих валков чистовой группы клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки. На основе анализа разработанных A.A. Будаквой, Э. Н. Шебаниц и др, подходов моделирования износов валковой системы выявлено, что использование статистических моделей наиболее адекватно отражает прогнозирование величины износа.

На первом этапе построения модели прогнозирования профиля рабочих валков был проанализирован массив данных значений конечного профиля валков, замеренного по 17 точкам, расположенным на расстоянии 125 мм.

На основе графически-статистического анализа конечных профилировок рабочих валков были выделены три характерные зоны:

1) зона отсутствия контакта валка с полосой (I);

2) зона переменного контакта валка с полосой (П);

3) зона постоянного контакта поверхности бочки рабочего валка с прокатываемой полосой (III).

В построении данной модели были приняты следующие допущения:

- условие симметричности по длине бочки валка;

- отсутствие влияния приводной стороны;

- условие равномерного накопления износа.

В качестве вида уравнения аппроксимации для каждого из выбранных участков были выбраны линейные:

у = atx + а0. (10)

Коэффициенты уравнения линейной регрессии были найдены с помощью метода наименьших квадратов.

Таким образом, для описания профиля валка используется система уравнений:

У\ = аих + а10> х G [0; 0.25);

• Уг — a2ix + а2о X 6 [0,25; 0,625) ; (И)

Уз = a3ix + азо х е [0,625; 1].

Коэффициенты а1п/ ClQn были спрогнозированы с использованием метода множественной регрессии в зависимости от параметров процесса горячей прокатки, включающие качественные и количественные переменные (рис. 5).

При моделировании коэффициентов использовались четыре типа переменных:

- переменные, взятые по абсолютному значению Хп = (D,n,L);

- переменные, взятые в виде накопленного итога по длине прокатанного монтажа Хп' = (Р', В', Н', О)', U', М', а'о), рассчитанные по формуле:

Xk = ZXneLe; (12)

- переменные, взятые в виде средневзвешенных значений по длине прокатанного монтажа Хп' = ( В', Н', О)', U', М', а'о), рассчитанные по формуле:

_ ZXneLe (13)

71 " IX "

- фиктивные переменные, используемые для описания качественных переменных.

В результате регрессионного анализа получены уравнения, решение которых позволили определить численные значения коэффициентов для системы уравнений (11).

Для выделенных участков клетей №7-13 были построены частные уравнения. В качестве примера представлено распределение характерных зон износа по длине бочки верхнего рабочего валка в клети №8 при прокатке средневзвешенного монтажа (рис. 6).

Согласно научным исследованиям и экспериментальным данным, изнашивание рабочих валков чистовой группы клетей стана горячей прокатки имеет различный характер и условно подразделяется на тепловое (для клетей № 7-9), и абразивное (для клетей № 10-13).

С учетом различного характера изнашивания рабочих валков и для улучшения качества модели были введены уточняющие коэффициенты Clwn и С0шп,и тогда система (11) примет вид:

Уг = Ciiwaiix + ciowaio- х е [0; 0,25); Уг = C21wa12x + C20wa20 х е [0,25; 0,625); (U)

Уз = C31wa13x + C30wa30 х 6 [0,625; 1].

Значения коэффициентов Cown и Ciwn определяется в зависимости от номера клети, положения валка и от применения СТС и принимают различную величину: - от 0,73 до 1,3 коэффициент Cown и от 0,42 до 1,25 коэффициент C¡wn для клетей 79;

- от 1,01 до 1,13 коэффициент Cown и от 1,036 до 1,089 коэффициент Cwn для клетей 10-13.

1) Момент прокатки (М, Нм)

я, ~ Л о Я Ё а Н со Ширина прокатываемой полосы (В, м)

й в а е а Толщина прокатываемого металла (Н, м)

о с X Угловая скорость валков (со, 1/с)

Усилие прокатки (Р, МН'10"2)

Рабочее напряжение (И, В)

Сопротивление деформации (со)

Суммарный километраж прокатанного металла за один монтаж (Ь)

Значение начальной профилировки валка (П)

Значение диаметра валка (мм)

з а к 3 X к <ц н Г— Клеть, в которой ведется прокатка

1 О- 5 " Применение смазочного материала при прокатке

X с — Положение валка в клети (верхний/нижний)

Рисунок 5 - Переменные, входящие в уравнения регрессии при построении математического описания износа рабочих валков

Рисунок 6 - Распределение характерных зон износа по длине бочки верхнего рабочего валка (на примере прокатки средневзвешенного монтажа в клети №8)

Пример прогнозирования профиля верхнего рабочего валка клети №9 представлен на рис. 7 и для верхнего валка клети №12 представлен на рис. 8.

0,25 0,375 0,5 0,05 0,75 0,875 1

i

III

I II

L бочки, M

наолюдаемыи профиль

спрогнозированный профиль

Рисунок 7 - Прогнозирование профиля рабочего валка для клети №9

ф olSc^. 0,375 0,5 0,^25 0,75 0,875 1 t

j j III

I

L бочки, m

профиль

СПрОГНОЗИрованный профиль

Рисунок 8 - Прогнозирование профиля рабочего валка для клети №12

Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает высокую сходимость результатов моделирования (процент расхождения составил от 3 до 15%).

В Пятой главе предложены научно обоснованные технические решения, позволяющие определять следующие практические задачи:

• Произвести автоматизированный расчет параметров широкополосной горячей прокатки и прогнозирование изменения текущего профиля валка (Д), позволяющего выдавать конечные рекомендации по формированию монтажей. При выполнении расчета на модель необходимо наложить ограничения по условию работоспособности валка:

- искажение текущего профиля бочки валка Д<[А];

- изменение текущего объемного износа ¿v>[av];

- поперечная разнотолщинность полосы 5Ь < [8h/].

Используя результаты автоматизированного расчета, произвести разработку рекомендаций по изменению формирования текущих монтажей с учетом условий работоспособности валка.

При решении первой поставленной задачи был разработан комплекс программных продуктов, на которые были получены свидетельства о государственной регистрации № 2011611132;2011616120;2011618127;2013612829.

По результатам проведенных исследований получены данные о величине износа и характере его накопления в течение ресурса рабочих валков (межперевалочный период), которые в дальнейшем использовали для рекомендаций по изменению формирования текущих монтажей.

Результаты исследования обобщены и изложены в виде алгоритма (рис. 9), позволяющего произвести интеграцию и настройку системы АСУ и ТП стана при прокатке с применением СМ для формирования текущих (увеличенных) монтажей.

В основу предложенного алгоритма заложено условие поперечной разнотолщин-ности

5Ь, < [511,] по ГОСТ 19903. В случае откло-

нения от заданных параметров:

— на стадии формирования монтажей происходит предварительный анализ по условию

работоспособности валка. В случае выполнения условий, задаются рекомендации и автоматически определяются режимы прокатки;

- непосредственно в процессе прокатки происходит контролирование параметров, характеризующих работоспособность валка и одновременное сравнение

их с внешним сигналом толщиномеров, установленных за клетью №13; - в случае нарушения условий работоспособности валка в алгоритм заложена возможность производить сравнение расчетных данных математической модели с толщиномерами и принимается ряд технологических решений:

• система воздействий на чистовую группу клетей станов горячей прокатки, позволяющая компенсировать негативное влияние выработки рабочих валков при формировании геометрии полос;

• остановка на перевалку.

Для решения второй поставленной задачи предложена схема формирования монтажей (табл. 6). Отличительной особенностью является то, что предложенный подход позволяет формировать поперечный профиль горячекатаной полосы как с применением СТС, так и без нее. Используя разработанные подходы, было предложено увеличить назначенный ресурс рабочих валков (межперевалочный период) чистовой группы клетей ШСГП в среднем на 6,7%.

Кроме того, данная модель износа позволяет накапливать и анализировать экспериментальные данные для прогнозирования профиля рабочих валков во времени, в рамках одного монтажа для минимизации простоев стана (рис. 10).

Гифнг ш гост ;<•- (¡3

Г* <м»щ* 1В-32Я)

Р|: 41 0,05 ч» 1650

0,05 ггр I в>мя>

Грятцз йпрсдгтсниг ЗЬ

Д£М «И

Проттнровяшге текущего прЦгкяя Лае (комплекс программ им ЭВМ

¡ш кш я-яжжгв»!

Рисунок 9 - Алгоритм для проверки условия работоспособности валков по критерию поперечной разнотол-щинности согласно ГОСТ 19903

Рисунок 10 - Изменение профиля рабочего валка для клети№7

В качестве примера приведен порядок формирования монтажей для непрерывного широкополосного стана горячей прокатки (табл. 6).

Таблица 6 - Порядок формирования монтажей

Согласно Правилам формирования монтажей на стане горячей прокатки ОАО «ММК» Согласно разработанным рекомендациям

Период монтажа Максимальное количество.км Толщина, ММ Ширина, мм Максимальное количество,км Относительное увеличение, %

Настройка 2 4-6 1000-1330 2 0

Разогрев 8 >3 1000-1500 8 0

Прокатка 109 <1,84 С учетом групп по выкатываемое™ - 119 +8,4

124 1,852,14 - 131 +5,34

132 2,152,44 - 144 +8,33

155 2,452,94 - 165 +6,06

171 >2,95 - 181 +5,52

Экономическая эффективность от разработанных мероприятий обеспечивается за счет:

- снижения удельного расхода энергии (Квт*ч) в непрерывной чистовой группе с применением СМ в среднем на 5...9%;

- повышения ресурса рабочих валков, выраженного в увеличении межперевалочного периода при прокатке в клетях №7-13 НШСГП 2000 ОАО «ММК» в среднем на 5,34... 8,40%

Экономический эффект от внедренных мероприятий составит 31,585 млн руб. в год.

Заключение

1. Экспериментально определено, что система подачи технологической смазки, установленная на первых трех клетях в непрерывной чистовой группе, обеспечивает снижение энергосиловых параметров для всех клетей чистовой группы стана. На основе регрессионного анализа обобщены результаты исследования, получены уравнения и численные значения коэффициентов влияния смазочного материала на изменение токовой загрузки главных приводов. Разработан комплексный подход, позволяющий производить расчеты энергозатрат для всей чистовой группы клетей, с учетом ранее полученных коэффициентов для клетей №7-9: Уснг*0,875-0,993; 0 865— 0,926; £сии=0,896-0,911; ^3=0,985-0,995.

2. На основе экспериментальных и теоретических исследований показано, что технологическая смазка приводит к смещению нейтрального сечения в структуре очага деформации в направлении прокатки для всей чистовой группы клетей стана и оказывает влияние на изменение напряженно-деформированного состояния металла.

3. Разработана математическая модель процесса изнашивания рабочих валков применительно для станов горячей прокатки, в основу которой заложено базовое уравнение Н.М. Михина, отличительной особенностью которого является определение показателей изнашивания рабочих валков станов горячей прокатки с применением систем подачи СМ.

4. Предложена модель для описания изменения величины износа рабочих валков в зависимости от произведенного сортамента за кампанию их работы.

5. Предложенный подход использован для совершенствования процесса формирования поперечного профиля горячекатаной полосы как с применением систем подачи технологической смазки, так и без нее.

6. На основе теоретических исследований предложены и обоснованы новые технические решения по увеличению ресурса рабочих валков с применением систем подачи технологической смазки в среднем на 7%.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Амиров Р.Н. Математическое моделирование процесса изнашивания рабочих валков на непрерывном стане 2000 т.п. при подаче смазочного материала / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, P.P. Дема и др. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й межрегиональной научно-технической конференции. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. С. 165-168.

2. Амиров Р. Н. Использование методов нейронной сети для прогнозирования энергосиловых параметров процессов горячей прокатки при подачи смазочного материала / Р.Н. Амиров, У.Д. Мартынова, P.P. Дема и др. // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. науч. тр. / под ред.

B.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. С. 101-103.

3. Амиров Р. Н. Оценка изменения профиля продольного сечения рабочих валков в зависимости от их температурного состояния / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, P.P. Дема и др. // Механическое оборудование металлургических заводов: межрегион, сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. С.120-122.

4. Амиров Р. Н. Эффективность применения и влияние смазочного материала при горячей прокатке на износ валков / Р.Н. Амиров, Е.С. Савинов, А.К. Харитонова //Молодежь. Наука. Будущее. Вып. 11 : сб. науч. тр. студентов / под ред. C.B. Пыхтуно-вой. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им.Г.И. Носова, 2012.

C. 18-20.

5. Амиров Р. Н. Применение нейронных сетей для прогнозирования изменения текущего профиля рабочих валков клети «кварто» / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, P.P. Дема и др. // Актуальные проблемы совремешюй науки, техники и образования: материалы 71-й межрегиональной научно-технической конференции / под ред. В.М. Коло-кольцева.Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. С. 356-359.

6. Амиров Р. Н. Оценка изменения энергосиловых параметров чистовой группы клетей стана 2000 горячей прокатки в зависимости от подачи смазочного материала / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, P.P. Дема и др. // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: сб. науч. тр. / под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. С. 99-105.

7. Амиров Р. Н. Математическая модель процесса изнашивания и прогнозирования ресурса рабочих валков клети кварто при подаче смазочного материала / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, P.P. Дема и др. // Механика и актуальные проблемы металлургического машиностроения: междунар. сб. науч. тр. / под ред. О.С. Железкова. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. С.58-62.

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

9. Амиров Р. Н. Математическая модель процесса изнашивания и прогнозирования срока службы рабочих валков клети кварто при подаче смазочного материала / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, P.P. Дема и др. // Производство проката. 2012. №9. С. 38-43. (издание, рецензируемое ВАК)

10. Амиров Р. Н. Влияние смазочного материала на изменение энергосиловых параметров непрерывной группы клетей стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК»» / Р.Н.

Амиров, С И. Платов, P.P. Дема и др. // Производство проката 2013. №11. С. 9-14. (издание, рецензируемое ВАК)

11. Амиров Р. Н. Исследование и оценка загруженности главных приводов непрерывной группы клетей стана 2000 горячей прокатки в зависимости от сортамента выпускаемой продукции / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, P.P. Дема и др. // Прошводспю проката. 2014. №2. С. 13-16. (издание, рецензируемое ВАК)

12. Амиров Р. Н. Разработка модели прогнозирования энергосиловых параметров горячей прокатки при подаче смазочного материала на валки непрерывного широкополосного стана / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, P.P. Дема и др. // Производство проката. 2014. №4. С. 3-9. (издание, рецензируемое ВАК)

13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011611132 Автоматизированный расчет фрикционных параметров валкового узла «кварто» при подаче смазочного материала/Р.Н. Амиров, С.И. Платов, A.B. Ярославцев, P.P. Дёма и др. // ОБ ПБТ. 2011. №2. С. 435.

14. 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 / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, A.B. Ярославцев, P.P. Дёма и др. // ОБ ПБТ. 2011. №4. С. 232.

15. 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 / Р.Н.Амиров, С.И. Платов, A.B. Ярославцев, P.P. Дёма и др. // ОБ ПБТ 2012. №1. С. 108.

16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ№2013612829 Разработка технологии прокатки горячекатаной полосы при подаче смазочного материала в межвалковый зазор / Р.Н. Амиров, С.И. Платов, A.B. Ярославцев, P.P. Дёма и др. // ОБ ПБТ. 2013. №1. С. 70.

Подписано в печать 20.10.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 781.

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