автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка и внедрение в автоматизированную систему управления алгоритмов пластической деформации, рациональной технологии и контролируемой прокатки толстых листов

На правах рукописи

Петер Шульц

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННУЮ СИСТЕМУ УПРАВЛЕНИЯ АЛГОРИТМОВ ПЛАСТИЧЕСКОЙ' ДЕФОРМАЦИИ, РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПРОКАТКИ ТОЛСТЫХ ЛИСТОВ

Специальность 05.16.05 -Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на толстолистовом стане 3200 завода в г. Ильзенбург (Германия) и в научно-исследовательском институте ВР"М и оформлена на кафедре пластической обработки металлов,композиционных и порошковых материалов Санкт-Петербургского технического университета.

Научный руководитель

доктор технических наук Пзепоб [ I'!.

Официальные оппоненты: доктор технических наук кандидат технических наук

Ведущее предприятие

Рис В.В. Чашников Д. И.

АО" Ижорские заводы"

Защита состоится 13. июня 1996 года в _часов на заседании

диссертационного совета Д063.38.08 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете (195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул.,29, СПбГТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан^ _1996 г. _

Ученый секретарь диссертационного совета

Казакевич Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для производства толстого листа во всех странах используют примерно одинаковую технологию и оборудование и решают примерно одинаковые проблемы, которые можно свести к двум основным направлениям: улучшению геометрии получаемых листов и улучшению качества металла после прокатки. Эти проблемы решаются за счет внедрения автоматизированных систем управления технологией прокатки (АСУ ТП), применения методов оптимизации режимов деформации и разработки режимов термической, термомеханической и контролируемой обработки мелалла при и после прокатки.

Все перечисленные проблемы стоят и перед прокатным производством толстого листа на заводе в г. Ильзенбург (Германия) и в той или иной мере решаются в настоящей диссертационной работе. Особенности каждого прокатного стана не позволяют решать многие задачи в общем виде, на каждом из них создаются свои алгоритмы управления и их технологическое наполнение, т.е. модели техно-логического процесса, модели расчета режимов, система их реализации в АСУ ТП и т.п. По-разному решаются и организационно-технические задачи. Только комплексное решение всех этих проблем обеспечивает технологический и экономический эффект.

Предметом настоящей работы является идеологическая и технологическая проработка и технологическое наполнение рабочими алгоритмами внедренной на заводе системы автоматизированного управления технологией прокатки листа на стане 3200, которая позволяет прокатать лист с минимальными отходами металла на обрезь, внедрение контролируемой прокатки листа из низко-легированных марок стали.

Цель работы. Работа посвящена достижению максимального выхода годного металла при прокатке толстого листа за счет разработки и внедрения технологии, обеспечивающей минимальную обрезь металла, разработке методов расчета деформации при технологичских расчетах , а также улучшению качества металла листа за счет внедрения контролируемой прокатки.

Для достижений поставленных целей были решены следующие задачи:

- на основ© статистических данных, полученных путем измерений большого количества листов, прокатанных в промышленных условиях на стане 3200 завода в г. Ильзенбурге, определены основные технологические параметры, формирующие геометричекие размеры готового листа и величину боковой и концевой обрези металла;

получены математические модели , которые выражают зависимость параметров, определяющих обрезь металла, от технологических (управляющих) параметров процесса прокатки;

определены условия оптимального (точнее, рационального) выбора параметров исходного сляба и режимов его деформации, реализация которых в рамках автоматизированной системы управления позволяет существенно снизить потери металла на обрезь;

- разргборан агоритм выбора оптимальных размеров сляба для прокатки листа заданных размеров;

- разработана методика расчета профиля раската в последнем уширительном пропуске при MAS - прокатке, реализована в про-мышленном масштабе и внедрена технология с использованием MAS - прокатки, разработаны алгоритмы управения гидравлическим нажим-ным устройством в системе автоматзированного управления техноло-гией для реализации MAS - прокатки ;

- осуществлено технологическое наполнение комплексной автоматизированной системы управления технологией прокатки, решающей как технологические задачи , так и задачи подготовки производства, учета и планирования прокатки;

- показана принципиальная возможность и достигнута практическая реализация при использовании численных методов на базе МКЭ для решения трехмерной задачи течения металла при прокатке в неста-ционарном режиме, что создает предпосылки для построения САПР технологии прокатки толстого листа и оптимизации поцесса подготовки производства;

- разработаны и внедрены режимы контролируемой прокатки низколегированной ванадийсодержащей стали марки St 52, позволившие повысить ее механические свойства и ударные свойства.

Научная новизна. В работе выделены наиболее существенные факторы, влияющие на форму толстого листа в плане, получены математически модели, описывающие формирование боковой кромки и концов листа при толстолистовой прокатке, доказана высокая работоспособность и эффективность моделей в системе автоматизированного управления технологией. Решена задача выбора размеров сляба для прокатки заданного листа , разработаны режимы обжатия листа в условиях оптимальных соотношений продольной и попречной вытяжек ).Si / Ув, ■ Разработан алгоритм расчета профиля сляба при MAS - прокатке, а также алгоритм управления гидравлическим нажимным устройством, который с большой точностью реализует расчетную кривую профиля сляба. Разработан и внедрен в автоматизированную систему управления технологией комплекс алгоритмов, позволяющий производить листы, максимально приближенные по форме к прямоугольным. С . помощью стандартной программы фирмы "MARK" решена объемная задача течения металла в нестационарном режиме прокатки, что позволяет наметить стратегию использования МКЭ в задачах подготовки производства. Обоснованы и практически реализованы режимы контролируемой прокатки стали St 52, повысившие прочностные и пластические свойства и снизившие склонность к хрупкому разрушению металла.

Практическая значимость работы. Результаты работы внедрены' на толстолистовом стане 3200 завода в г. Ильзенбурге и позволили:

- внедрить автоматизированную систему управления технологией прокатки листа, ядром которой являются разработанные алгоритмы выбора размеров сляба, режимов его деформации в оптимальных условиях, профилирования сляба при MAS -прокатке и алгоритмы управления гидравлическим нажимным устройством;

- снизить отходы металла по всему сортаменту стана за счет обрези

кромок и концов листов в среднем на 3,5 %;

- повысить технологичность прокатки, информативность и стабильность в работе стана за счет использоваия разработанных алгоритмов в системе управления технологией прокатки;

- повысить эксплуатационные свойства стали St 52 за счет разработки и

#

внедрения контролируемых режимов прокатки.

з

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на конференции в г. Ильзенбурге в 1993 г. и

в научно-исследовательском институте BFM (Geschaeftsleitung Betriebsforschungs-institut Metallurgie GmbH, Берлин) в 1994 г.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 3 статьях .

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложения, изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 68 рисунков, 6 таблиц , библиографию из 72 наименований и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Литературный обзор fn постановка задачи). Стан 3200 в г. Ильзенбурге не относится к числу современных толстолистовых станов. В нем отсутствует первая вертикальная клеть, а черновые и чистовые пропуски осуществляются в одной горизонтальной клети кварто с диаматрами рабочих и опорных валков 1100 и 2200 мм соответственно. Это определяет особенности, которые иначе, чем на многих других заводах, заставляют ставить типичные для толстолистового производства проблемы.

Одной из таких проблем является повышение выхода годного за счет сокращения обрези по кромкам и концам листа. В литературном обзоре рассмотрены патенты и периодические публикации примерно за 10 последних лет по всем странам, имеющим развитое толсто-листовое производство. Проанализированы все технологические возможности воздействия на геометрию и форму листа в плане. Среди них отобраны такие, которые применимы на стане 3200.

Это определило одно из направлений работы, позволило сформулировать постановку и пути решения задачи уменьшения обрези по концам и кромкам

•прокатанного листа. В этом направлении многими авторами изучались факторы, влияющие на форму листа в плане, и установлено, что среди их многообразия наиболее существенным является вытяжка металла в уширительных пропусках >Вг или отношение вытяжек в протяжных и уширительных пропусках XSt / ) в, ■ Определен диапазон технологических параметров, в котором достигаются наиболее благоприятные условия деформации листа, обеспечивающие почти прямоугольную форму Предложены различные модели и алгоритмы расчета оптимальных режимов деформации толстого листа и реализации их в условиях АСУ ТП. Однако воспользоваться этими алгоритмами не удается, так как результаты, полученные на одном стане, лишь качественно характеризуют процесс прокатки на другом стане. На каждом стане необходимо проводить свои исследования и создавать собственные алгоритмы расчета и управления.

В конце 70-х годов в Японии начал развиваться так называемый MAS - процесс прокатки толстого листа. Суть его состоит в том, что в последнем уширительном пропуске обжатие изменяется в процессе прокатки так, что концы раската становятся на 3 ... 6 мм толще середины; после разворота на 90° в последующих продольных пропусках утолщенные участки , дополнительно удлиняясь, компенсируют недостающую часть металла на концах листа вблизи боковых кромок, приближая форму конца листа к прямоугольной. MAS - процесс осуществим при быстродействующем гидравлическом нажимном устройстве и системе автоматического управления этим устройством , а также при наличии надежных адаптивных моделей управления.

Перед автором данной работы стояла задача осуществить общую проработку и разработать технологическое наполнение MAS - прокатки, т.е. алгоритмы расчета высоты раската в MAS - пропуске, алгоритм управления гидравлическим нажимным устройством, модели прокатки и работы нажимного устройства.

Часть литературного обзора посвящена анализу работ по решению задач течения металла в нестационарной стадии прокатки, когда формируются концы листа. Метод конечных элементов (МКЭ) дает принципиальную возможность решить задачу с минимальными упрощениями и допущениями. Однако ввиду ее сложности пока не удается просчитать сквозную технологию по всем пропускам , поэтому нет возможности построить какой-нибудь численный эксперимент и выйти на оптимизацию технологии

прокатки. Статистические методы здесь остаются наиболее доступными, хотя модели и выводы, полученные таким способом, справедливы только для области, внутри которой проведены эксперименты и которая не обязательно содержит оптимальные варианты. Статистические модели просты и надежны в системах управления.

Важным направлением работ в толстолистовом производстве является повышение качества металла листа за счет внедрения контролируемых режимов прокатки, сочетающих режим деформации и температурный режим , которые обеспечивают наиболее благоприятную металлографическую структуру металла.

Глава 2 посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процесса образования формы боковой поверхности и концов листа при прокатке. Сделана попытка теоретически вычислить форму кромок и концов, используя стандартный пакет прикладных программ фирмы " MARK". Этот пакет реализует решение нестационарной задачи упруго-пластического течения при смешанных граничных условиях на поверхности контакта металла с валками. Расчет выполняется на основе метода конечных элементов.

Таким образом просчитана прокатка листа в первом продольном пропуске из заготовки, полученной в последнее уширительном пропуске по двум вариантам: при обычной прокатке и при прокатке по MAS - способу. Получена картина, полностью совпадающая с экспериментальными данными. На основании полученных результатов стала принципиально возможной постановка и реализация на ЭВМ численного эксперимента, направленного на расчет и оптимизацию всех пропусков, построение системы проектирования технологии на этапе технологической подготовки производства. Однако такая возможность пока не реализуема ввиду большого времени, требуемого на расчет хотя бы одного технологического варианта прокатки.

Сделан обоснованный вывод о том, что технологические модели прокатки необходима строить на основании статистической обработки экспериментального материала по промышленной прокатке листа в условиях существующего стана. Приведен анализ промышленных листов, прокатанных по разным технологическим схемам и режимам. Измерено около 100 листов практически во всем диапазоне сортамента стана 3200. На основании измерений получены математические модели, заложенные в ^истему автоматизированного управления технологией прокатки.

Установлено, что форма кромок готового листа зависит прежде всего от зытяжки Лвг в уширительных пропусках, и при лВг > 1.9 готовый лист имеет вогнутые, а при лег < 1,5 -выпуклые кромки. При промежуточных значениях кромки практически прямолинейны, и это дает возможность построить такую технологию прокатки, при которой вытяжки укладываются в заданные пределы. При этом необходимо выбрать рациональную заготовку по длине и построить для нее оптимальный режим обжатия по пропускам.

Однако форму боковой кромки и концов листа полнее характеризует отношение вытяжек Хб) />-вг в протяжных и уширительных пропусках. Это основной фактор, через который можно управлять формой листа в плане. При отношениях ^ /Лаг = 1,4 ... 1,6 форма листа близка к прямоугольной, но при отношениях от 1,6 до 2,0, что соответствует примерно 75% всего сортамента стана, концы листа уже, чем середина и требуют добавки металла от 0 до 45 мм, при еще больших отношениях эта разница и, следовательно, потребная добавка резко возрастают. При отношениях /Авг <1,2 более узкой становится средняя часть листа , и в этом месте требуется добавка 20 ... 30 мм.

Для автоматизированной системы управления предложена модель для вычисления разницы в ширине середины и концов ЛВ в зависимости от отношения вытяжек д = Ховщ/Хв,. Здесь общая вытяжка Лобщ складывается из вытяжек в протяжных и продольных пропусках. Экспериментально установлено, что в этой сумме решающее значение имеет вытяжка в протяжных пропусках , и от вытяжки в продольных пропусках форма листа уже мало зависит. Тем не менее аппроксимация экспериментальных данных полиномом третьей степени от отношения ц обеспечивает меньший разброс ,чем от отношения АаЛвг • Предложена модель : ЛВ = -252.391 с/3 + 1031.06 ч2 -1447.72 д + 571.07.

Геометрия концов листа в значительной мере зависит от его ширины . На узких листах концы листа формируются за счет высокой неравномерности удлинения по ширине и имеют форму "языка " почти параболического вида. На широких листах искривленные концы наблюдаются только вблизи кромок по ширине.

Удлинение конца в середине по ширине {Мтгх ) практически прямолс^-йно возрастает с увеличением отношения вытяжек qc = ^ /Х0, , хотя для

автоматизированной системы управления более удобной оказалась зависимость в виде полинома третьей степени:

ALm,t =0,0568^ - 0,945q' + 75,958qc - 33,99,

дающая приемлемую сходимость с экспериментальными данными. Форма переднего и заднего концов идентичны, хотя задний конец (хвост; всегда длиннее переднего (головы) на 1,2 ... 3,5 % (в среднем на 2,44 %).

Потери метала на обрезь кромок убывают, а концов - возрастают с увеличением отношения вытяжек q ( или qc), поэтому возможна постановка и реализация задачи оптимизации технологии прокатки по минимуму суммарных потерь металла на обрезь. Алгоритм такой оптимизации разработан и заложен в систему автоматизированною управления технологией прокатки.

Таким образом,получены необходимые алгоритмы , которые используются как при технологических расчетах, так при автоматизированном управлении технологией .

В главе 3 рассматриваются вопросы внедрения разработанных алгоритмов и технологий. Одним из перспективных направлений в толстолистовом производство является MAS - прокатка, когда в последнем уширительном пропуске формируется раскат переменной высоты с утолщением по концам. После разворота на 90° в продольных пропусках утолщенные участки оказываются на кромках и, дополнительно удлиняясь, компенсируют "языки" на готовом листе, приближая его форму к прямоугольной.

Форма кривой утолщения раската расчитывается по описанному выше алгоритму на стадии подготовки производства. Она изменяется по экспоненциальной кривой с выходом на постоянную высоту в сред- них по ширине зонах. Автоматизированная система управления реализует кривую при MAS - прокатке путем опускания и подъема валка гидравлическим нажимным устройством. Предложен адаптивный алгоритм управления нажимным устройством, который корректируется при сравении расчетной кривой с фактической.

На стане 3200 использованы обе возможности уменьшения обрези металла по кромкам и концам: за счет прокатки при оптмальных соотношениях ka /ЯВг й за счет профилирования раската при MAS - прокатке . Комплексное использование обеих возможностей на базе автоматизированной системы управления позволило сократить

потери металла на обрезь в среднем на 3,5 %, а на некоторых листах до 6 %. При внедрении этой системы также улучшились структура и качество управления технологией , повысилась информативность , достигнута большая стабильность процесса прокатки.

Для проверки алгоритмов из серии промышленно прокатанных листов из стали марки St 52 отобрано и измерено два листа: один в условиях оптимальных отношений вытяжек Xst Abi без MAS - прокатки, а второй при наличии MAS - прокатки.

Для первого листа предварительно проведен выбор оптимальной длины сляба. Установлено, что при размерах сляба 200x1000x1750 мм готовый лист 8x1800x7000 мм имеет форму концов , показанную на рис.1. Обрезь по концам составляет 508 мм, а по кромкам (каждой) - 75мм, выход годного составляет 89 %. Прокатка листа произведена за 12 пропусков, из которых 2 протяжных, 3 уширительных и остальные продольные.

Второй лист тех же размеров прокатан по той же технологии из того же сляба с той лишь разницей, что в последнем уширительном пропуске осуществлена профилировка раската по способу MAS - прокатки . Предварительным расчетом установили, что максимальная толщина раската на концах на 4 мм больше, чем в середине, и это превышение по экспоненте убывает до 0 на расстоянии 500 мм . По этой кривой рассчитаны установочные параметры гидравлического нажимного устройства (скорости опускания и подъема, соответствующие им времена, время прокатки с постоянным обжатием, скорость вращения валков и т.д.). Экспериментально показано, что предложенные алгоритмы работают надежно и с большой точностью реализуют расчетную кривую высоты раската при MAS - прокатке.На рис. 2 показана форма концов этого листа . По сравнению с первым листом здесь обрезь меньше на 2,6 %.

Глава 4 посвящена разработке и внедрению контролируемой прокатки. Используя лабораторные и полупромышленные исследования, а также литературные данные по контролируемой прокатке низколегированной стали St 52, были разработаны и реализованы в промышленном масштабе режимы контролируемой прокатки листов из этой стали на стане 3200 завода а г. Ильзенбург. Произвели выбор температуры нагрева металла под прокатку , исследовали влияние режимов обжатия в чер. -¡ых пропусках на размер зерен аустенита, выбрали температуру начала чистовой прокатки

• е 8 а « а з s i s § s § б s § | g s § Ширина листа, мм

Рис. 1. Форма концов листа без MAS - прокатки.

Лист 8x1800x7000

' ! л п n N И f t М Н ! I I

Ширит листа, мм Рис. 2. Форма концов листа при MAS - прокатке.

и определили влияние суммарного обжатия при чистовой прокатке на измельчение зерна. Оптимальной температурой под прокатку является 1050 0 С, так как при этой температуре происходит полное растворение ванадий-содержащей фазы в твердом растворе аустенита.Температуру начала чистовой прокатки выбрали так, чтобы обеспечить наибольшую скорость выпадения этой фазы из твердого раствора, которая наблюдается при температурах 750 ... 850 0 При этом происходит максимальное измельчение зерна.

Режимы деформации в черновых и чистовых пропусках также направлены на получение равномерного измельченного зерна аустенита. При черновой прокатке выбраны обжатия 30 ... 50 % с понижением температуры конца прокатки до 1000 - 90Ó °, чтобы обеспечить выделение высокодисперсных частиц V(C,N) из твердого раствора. В чистовых пропусках требуются обжатия за проход 25 - $0 % при суммарной степени деформации не ниже 60 %. При таком режиме при температурах 800 - 850 0 С процессы рекристаллизации почти полностью подавлены , и обеспечивается равномерная мелкозернистая структура продуктов распада аустенита.

Важным элементом контролируемой прокатки является режим охлаждения листа после прокатки. Предварительно провели численное моделирование охлаждения листа на воздухе и при циклическом охлаждении вода - воздух - вода (несколько циклов). Использование последней схемы позволяет значительно ' сократить длительность процесса контролируемой прокатки.

На основании численного моделирования и промышленных исследований внедрена промышленная технология контролируемой прокатки стали St 52 . Разработана математическая модель , которая дает возможность проектировать технологию контролируемой прокатки с учетом процессов упрочнения и разупрочнения и закономерностей формирования структуры металла в динамике процесса. Модель позволяет рассчитать конечные свойства листа после контролируемой прокатки. Расчеты хорошо совпадают с результатами промышленной прокатки.

Внедрение контролируемой прокатки позволило получить равномерную мелкозернистую структуру металла, за счет чего повысить механические свойства , прежде всего ударную вязкость , и значительно снизить склонность стали к х( ■ -¿ому разрушению.

п

Выводы по работе.

1. Предложена концепция проектирования технологических режимов толстолистовой прокатки, основанная на возможности профилирования валков и формы заготовки, задания профиля на зтолс проектирования технологического режима. Реализация предложенной концепции обеспечивает уменьшение обрези боковых и концевых кромок листа.

2. Проанализированы возможности современных расчетных методов анализа течения металла в неустановившейся стадии прокатки толстого- листа. Проведен расчет одного пропуска с предварительным профилированием заготовки методом MAS

- прокатки и без него Намечены перспективы использования численного моделирования при решении задач технологической подготовки производства и при использовании в системе автоматизированного управления технологией. Дана оценка современного уровня расчетных методов.

3. В промышленных условиях проведен натурный эксперимент, разработаны статистические модели, заложенные в основу автоматизированной системы управления технологией прокатки на стане 3200.

4. Экспериментально определены в промышленных условиях технологические параметры и полумены основные зависимости, определяющие формирование концов и кромок листа. Показаны пути оптимизации режима обжатий, ведущего к минимуму потерь металла за счет обрези. Показано, что кроме режима обжатия в протяжных и уширительных пропусках на форму листа в плане существенное влияние оказывает длина сляба. Дана методика выбора его длины в зависимости от параметров конечного листа и режима деформации по проходам.

5. Разработана математическая модель и блок-схема автоматизированного управления режимом деформации раската в последнем уширительном пропуске - MAS

- прокатка. Проведен комплекс работ по модернизации гидравлического нажимного устройства стана и разработке автоматизированной системы управления их работой для реализации MAS - процесса. Комплексно увязаны алгоритмы расчета профиля раската при MAS - прокатке, расчета режима обжатия в остальных пропусках и выбора

оптимальной заготовки. Все это а целом позволило значительно приблизить форму готового ("сырого") листа к прямоугольной и снизить потери металла за счет обрези концов и кромок в среднем на 3,5%. При внедрении автоматизированной системы /правления технологией увеличилась информативность об исполнении технологии прокатки, улучшилось качество исполнения технологии.

6. Разработаны и внедрены в производство режимы контролируемой прокатки ■мзколегированной конструкционной ванадийсодержащей стали St 52. За счет получения равномерной мелкозернистой структуры металла готового листа :ущественно повышены механические свойства его, снижена склонность стали к фупкому разрушению.

7. В работе представлены три основные аспекта общей системы управления технологическим процессом производства толстого листа: исследование формообразования на стадии подготовки производства, управление процессом 1рокатки на стане и формирование свойств в процессе и после прокатки. Создание юмплексной системы АСУ ТП является перспективным направлением работ олстолистового стана.

Публикации по диссертации.

1. А. Borowikow, F. Jakob, Р. Schulz . Untersuchungen zur Verringerung der kusbringungsverluste beim von Grobblechen. - Stahl und Eisen, 114 (1994), Heft 5, S. 97 -¡00.

2. A. Borowikow, H. Blei, K. Damm, P. Schulz. Moeglichkeiten des Einsatzes lickenvariabler Grobbleche Im Stahl- und Kranbau. - Stahlbau, 63 (1994) , Heft 4, S. 101 -04.

3. P. Schulz , A. Borowikow. Untersuchungen zur Ausbringungsoptimislerung beim Valzen von Grobblechen. - Vortrag von dem Arbeitskreis " Grundlagen der Umformtechnik". >ktober, 1993, Ilsenburg.

Подписано в печать Ii. OS. Тираж /СО. Заказ № 249 ■ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29