автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка рекомендаций по повышению производительности толстолистового стана 5000 ОАО "Северсталь" на основе расчета энергосиловых параметров прокатки

УДК 669-122.4; 669.018.292; 66-933.6

На правах рукописи

Шншов Иван Александрович

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО СТАНА 5000 ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ" НА ОСНОВЕ РАСЧЕТА ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

г 1 моя 20)3

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

005539027

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет»

Научный руководитель: Колбасников Николай Георгиевич

доктор технических наук, профессор кафедры ТИМ ФГБОУ ВПО СПбГПУ

Официальные оппоненты: Мухин Юрий Александрович

доктор технических наук, зав. кафедрой ОМД ФГБОУ ВПО ЛГТУ, г. Липецк

Тихонов Сергей Михайлович кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГАОУ ВПО «НИТУ «МИСиС», г. Москва

Ведущая организация: ФГБУН «Институт металлургии и

материаловедения им. A.A. Байкова» РАН, г. Москва

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, СПб, ул. Политехническая, д. 29, главный корпус, ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « » ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.03

кандидат технических наук Климова О.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В течение последних десятилетий Россия является крупнейшим поставщиком природного газа в страны Европы и Азии. В связи с этим производство труб большого диаметра из высокопрочных сталей для магистральных трубопроводов является важной государственной задачей. Производство толстого широкого листа из трубных сталей постоянно расширяется, а требования к штрипсу и трубам ужесточаются вследствие увеличения рабочего давления в трубопроводах и необходимости их эксплуатации в сейсмоопасных зонах и районах Крайнего Севера.

До последнего времени стан 5000 ОАО "Северсталь", введенный в эксплуатацию в 1985 г., был единственным производителем толстого листа для труб большого диаметра в России. Но в 2009 и 2011 гг. были запущены более современные, мощные и высокопроизводительные станы на Магнитогорском и Выксунском металлургических комбинатах, в связи с чем из-за необходимости поддержания конкурентоспособности продукции стана 5000 перед ОАО "Северсталь" встали задачи обеспечения высокого качества производимого металла и одновременного снижения затрат на его производство.

Сокращение издержек при сохранении качества продукции может быть достигнуто путем обеспечения максимальной производительности за счет назначения режимов прокатки с максимально допустимыми энергосиловыми параметрами, исключения вынужденных простоев, связанных с поломками оборудования из-за перегрузки, сокращения времени технологических операций.

Для обеспечения оптимальной загрузки стана была внедрена система автоматического управления, разработанная компанией Siemens. В качестве математического обеспечения системы разработчиками предложена модель, аналогичная используемой в компании Voest Alpine Indiistrieanlagenbau (VAI). К сожалению, использование модели VAI при работе в автоматическом режиме в условиях стана 5000 приводит к его недогрузке - обжатия в проходах снижаются, а общее число проходов для достижения конечной толщины листа увеличивается на 20-30% по сравнению с возможностями оборудования. Известно, что прокатка толстого листа с малыми обжатиями негативно сказывается на проработке металла в центральных слоях раската и может вызывать возникновение трещин.

4. Исследовать особенности напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации при горячей прокатке толстого листа из слябов толщиной 250 и 313 мм с учетом неравномерности распределения температур и деформаций по сечению очага деформации и влияния формы очага деформации. Скорректировать на основе полученных результатов математические модели для расчета усилия прокатки, момента на валу и тока в якоре электродвигателей стана.

5. Исследовать особенности формоизменения раската при прокатке на стане 5000 с использованием модели процесса прокатки в Бе/огт-ЗО и экспериментальных измерений на стане. Создать быстродействующие математические модели для расчета уширения и удлинения раската для обеспечения возможности точного расчета площади контакта металла с прокатными валками, определяющей усилие прокатки.

6. Оценить возможность использования комплекса разработанных быстродействующих математических моделей в алгоритмах оптимизации режимов прокатки по энергосиловым параметрам в зависимости от используемой технологии прокатки толстого листа.

При выполнении работы получены результаты, отличающиеся

научной новизной, в том числе:

1. Скорректированы методики расчета усилия прокатки, момента прокатки, тока в якоре электродвигателя для стана 5000 при прокатке толстого листа, а именно:

• на основании анализа напряженно-деформированного состояния металла при прокатке толстого листа, выполненного при помощи математического моделирования, в методику расчета усилия прокатки в условиях высокого очага деформации введена поправка, учитывающая существенное влияние неравномерности температурного поля раската;

• на основании сопоставления экспериментальных и расчетных значений энергосиловых параметров определены калибровочные коэффициенты в формулах расчета коэффициента напряженного состояния при определении усилия прокатки в условиях среднего очага деформации, расчета коэффициента плеча равнодействующей при определении момента прокатки, установлен коэффициент пропорциональности между моментом на валу и током в якоре электродвигателей стана.

В результате внесенных изменений в методики расчета энергосиловых параметров для установившегося процесса

прокатки средняя относительная ошибка расчета усилия прокатки для выборки из 2111 проходов составила 5,6 %, момента на валу электродвигателя для выборки из 93 проходов - 4,4 %, тока в якоре электродвигателя при той же выборке - 3,8%.

2. Получены количественные соотношения основных параметров прокатки и интенсивности деформации в центральных слоях раската с учетом неравномерности температурного поля. Это обеспечивает дополнительную возможность управления качеством готового проката, в частности, равномерностью структуры и механических свойств по толщине.

3. Предложены алгоритмы расчета режимов обжатий, обеспечивающие максимально допустимую загрузку стана 5000 по энергосиловым параметрам. Алгоритмы включают в себя совокупность разработанных математических моделей, позволяющих с высокой точностью рассчитывать энергосиловые параметры прокатки.

Практическая значимость результатов работы. В результате выполненных работ создан комплекс быстродействующих математических моделей для расчета энергосиловых параметров с высокой точностью, на основе которого разработаны алгоритмы расчета режимов обжатий с максимально возможными энергосиловыми параметрами. Комплекс принят к внедрению в систему автоматического управления станом 5000 ОАО "Северсталь" (акт внедрения результатов работ от 17.10.2013), что позволит обеспечить оптимальную загрузку стана и предотвратить превышение предельных значений энергосиловых параметров при прокатке.

Апробаиия результатов работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на 9-ой Международной научно-технической конференции "Современные металлические материалы и технологии " (СММТ'11, 22-24 июня 2011, СПб); Международной научно-практической конференции "ХЬ Неделя науки СПбГПУ", (5-10 декабря 2011, СПб); 6-ой Международной молодежной научно-практической конференции "Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина" (26-30 октября 2012, Екатеринбург); Научно-практической конференции с международным участием "ХЫ Неделя науки СПбГПУ", (3-8 декабря 2012, СПб); Молодежной научной конференции "Студенты и молодые ученые -инновационной России" (23-24 мая 2013, СПб); 10-ой Международной научно-технической конференции "Современные металлические

материалы и технологии" (СММТ'13, 25-29 июня 2013, СПб); 1-ой Международной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в черной металлургии" (2-4 октября 2013, Череповец).

Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечена:

• использованием аттестованного оборудования лаборатории "Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов" СПбГПУ для исследования структуры и свойств металла;

• применением современного исследовательского оборудования для физического моделирования - комплекса Gleeble-3800, измерительные устройства которого обслуживаются фирмой-изготовителем;

• использованием лицензионной программы конечноэлементного моделирования Deform-ZD;

• выполнением экспериментальных измерений на стане при помощи поверенного промышленного измерительного оборудования;

• статистической обработкой результатов исследований.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 3 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 111 наименований и двух приложений. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 101 рисунок и 28 таблиц.

Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории «Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов» НИИ Материалов и технологий СПбГПУ и технологам листопрокатного цеха №3 ОАО "Северсталь" за помощь, оказанную при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность и обоснована цель проведенных исследований, сформулированы задачи, научная новизна и практическое значение диссертационной работы.

В первой главе представлен аналитический обзор выполненных ранее работ по прокатке толстого листа: теоретические и экспериментальные методы анализа напряженно-деформированного

Подписано в печать 06.11.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11192Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Л

, ' I

ШИШОВ ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО СТАНА 5000 ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ" НА ОСНОВЕ РАСЧЕТА ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, д.т.н. КОЛБАСНИКОВ Н.Г.

Санкт-Петербург - 2013

УДК 669-122.4; 669.018.292; 66-933.6

04201450938

Содержание

Введение.................................................................................................................................................................4

Глава 1. Математические модели прогнозирования энергосиловых параметров как важная часть системы автоматического управления станом 5000 ОАО "Северсталь"......................................................................13

1.1. Производство штрипса из трубных марок стали на стане 5000..........................................................13

1.1.1. Основные технологии прокатки толстых листов из трубных марок стали на стане 5000.........15

1Л .2. Система автоматизации, существующая на стане 5000: достоинства и недостатки..................17

1.1.3. Необходимость создания нового математического обеспечения системы управления станом 18

1.2. Влияние напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации на усилие прокатки и качество готового листа..............................................................................................................20

1.2.1. Методы исследования напряженно-деформированного состояния металла при прокатке.......20

1.2.2. Особенности напряженно-деформированного состояния металла в условиях высоких и средних очагов деформации.......................................................................................................................22

1.3. Существующие методики расчета энергосиловых параметров прокатки..........................................25

1.3.1. Методики расчета усилия прокатки................................................................................................25

1.3.2. Взаимосвязь усилия прокатки и момента на валу электродвигателя...........................................35

1.3.3. Взаимосвязь момента на валу и током в якоре электродвигателя................................................40

Глава 2. Экспериментальные исследования реологических и релаксационных свойств трубной стали категории прочности К60.....................................................................................................................52

2.1. Описание методики экспериментальных исследований......................................................................52

2.2. Исследование реологических свойств стали К60..................................................................................52

2.3. Исследование кинетики роста зерна аустенита для стали К60............................................................53

2.4. Исследование релаксационных свойств стали К60...............................................................................56

2.5. Перспективы использования методики для расчета сопротивления деформации других марок сталей................................................................................................................................................................60

2.6. Выводы по главе.......................................................................................................................................61

Глава 3. Разработка методики расчета среднемассовой температуры раската по ходу прокатки на стане 5000.......................................................................................................................................................................62

3.1. Постановка и решение задачи об охлаждении сляба на участке предварительных операций в пакете Ое/огт-ЗО............................................................................................................................................63

3.2. Постановка и решение термодеформационной задачи горячей прокатки на стане 5000..................69

3.3. Проверка адекватности выполненных расчетов....................................................................................76

3.4. Построение упрощенных зависимостей для оценки изменения среднемассовой температуры по ходу прокатки..................................................................................................................................................81

3.4.1. Методы построения упрощенных зависимостей для оценки изменения среднемассовой температуры по ходу прокатки..................................................................................................................81

3.4.2. Построение упрощенных зависимостей для оценки изменения среднемассовой температуры сляба на этапе предварительных операций...............................................................................................82

3.4.3. Построение упрощенных зависимостей для оценки изменения среднемассовой температуры

сляба на этапе прокатки..............................................................................................................................83

3.5. Выводы по главе.....................................................................................................................................100

Глава 4. Разработка методики расчета формоизменения раската при прокатке на стане 5000.................102

4.1. Особенности постановки деформационной задачи прокатки толстого листа на стане 5000..........103

4.2. Экспериментальное исследование уширения металла при горячей прокатке на стане 5000.........104

4.3. Определение коэффициента термического расширения металла.....................................................111

4.4. Построение упрощенных математических моделей уширения и удлинения металла на основании решения деформационной задачи в Deform-3D.........................................................................................113

4.5. Выводы по главе.....................................................................................................................................122

Глава 5. Корректировка методик расчета энергосиловых параметров применительно к условиям стана 5000.....................................................................................................................................................................123

5.1. Корректировка методик расчета усилия прокатки к условиям стана 5000......................................123

5.1.1. Исследование влияния неравномерности температур по высоте раската на НДС металла в очаге деформации......................................................................................................................................125

5.1.2. Разработка технологических рекомендаций по совершенствованию технологии прокатки для улучшения структуры толстого листа.....................................................................................................129

5.1.3. Учет влияния неравномерности температур по высоте раската на усилие прокатки в условиях высокого очага деформации.....................................................................................................................132

5.1.4. Корректировка методики расчета усилия прокатки в условиях средних очагов деформации 142

5.2. Адаптация методики расчета момента прокатки к условиям стана 5000.........................................143

5.3. Определение коэффициента взаимосвязи между моментом на валу и током в якоре электродвигателя...........................................................................................................................................145

5.4. Результаты расчетов энергосиловых параметров прокатки с использованием комплекса разработанных моделей................................................................................................................................146

5.5. Структура алгоритма расчета режимов прокатки с максимально.....................................................158

допустимыми по энергосиловыми параметрам обжатиями......................................................................158

5.6. Оценка возможности использования разработанных моделей для оптимизации технологий прокатки по производительности................................................................................................................161

5.7. Выводы по главе.....................................................................................................................................168

Общие выводы...................................................................................................................................................170

Список литературы...........................................................................................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................................................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..............................................................................................................................................191

Введение

В течение последних десятилетий Россия является крупнейшим поставщиком природного газа в страны Европы и Азии. В связи с этим производство труб большого диаметра из высокопрочных сталей для магистральных трубопроводов является важной государственной задачей. Производство толстого широкого листа из трубных сталей постоянно расширяется, а требования к штрипсу и трубам ужесточаются вследствие увеличения рабочего давления в трубопроводах и необходимости их эксплуатации в сейсмоопасных зонах и районах Крайнего Севера.

До последнего времени стан 5000 ОАО "Северсталь", введенный в эксплуатацию в 1985 г., был единственным производителем толстого листа для труб большого диаметра в России. Но в 2009 и 2011 гг. были запущены более современные, мощные и высокопроизводительные станы на Магнитогорском и Вык-сунском металлургических комбинатах, в связи с чем из-за необходимости поддержания конкурентоспособности продукции стана 5000 перед ОАО "Северсталь" встали задачи обеспечения высокого качества производимого металла и одновременного снижения затрат на его производство.

Сокращение издержек при сохранении качества продукции может быть достигнуто путем обеспечения максимальной производительности за счет назначения режимов прокатки с максимально допустимыми энергосиловыми параметрами, исключения вынужденных простоев, связанных с поломками оборудования из-за перегрузки, сокращения времени технологических операций.

Для обеспечения оптимальной загрузки стана была внедрена система автоматического управления, разработанная компанией Siemens. В качестве математического обеспечения системы разработчиками предложена модель, аналогичная используемой в компании Voest Alpine Industrieanlagenbau {VAT). К сожалению, использование модели VAI при работе в автоматическом режиме в условиях стана 5000 приводит к его недогрузке - обжатия в проходах снижаются, а общее число проходов для достижения конечной толщины листа увеличивается на 20-30% по сравнению с возможностями оборудования. Известно, что прокатка толстого ли-

ста с малыми обжатиями негативно сказывается на проработке металла в центральных слоях раската и может вызывать возникновение трещин. В конечном итоге это может негативно влиять на структуру и механические свойства готового листа. Прокатка в ручном режиме в ряде случаев позволяет избежать недогрузки стана, но ошибки операторов исключить невозможно.

В связи с этим возникает производственная задача, которая во многом предопределила цель данной работы - создание нового математического обеспечения для системы управления, в первую очередь — разработка алгоритмов управления станом и оптимизации режимов обжатий по энергосиловым параметрам. Алгоритмы управления и оптимизации должны быть быстродействующими, чтобы обеспечить пересчет режимов прокатки в опНпе-режиме, т.е. оперативно изменять режим обжатий по ходу прокатки.

Эти работы являются первым этапом большой совместной работы ОАО "Северсталь" и СПбГПУ по созданию комплексной модели управления станом, включающей модули для управления параметрами структуры, механическими и динамическими свойствами прокатываемых сталей.

Таким образом, цель работы - создание совокупности быстродействующих математических моделей для интегрирования в систему управления станом, позволяющих оптимизировать режимы прокатки сталей по энергосиловым параметрам для обеспечения максимальной производительности, на примере трубной стали категории прочности К60, занимающей сегодня основное место в сортаменте стана.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Исследовать сопротивление деформации и релаксационные свойства стали К60 в зависимости от температуры, степени, скорости деформации, накопленной деформации и времени междеформационных пауз.

2. Создать модель процесса горячей прокатки на стане 5000 с использованием программы конечноэлементного моделирования Ие/огт-3£). Решить темпера-турно-деформационную задачу о прокатке толстого листа из исследуемой стали.

3. Разработать быстродействующие математические модели расчета изменения температуры сляба/раската, начиная от выдачи сляба из печи и заканчивая чистовой прокаткой с использованием как результатов расчетов в Ое/огт-ЪО, так и экспериментальных измерений на стане.

4. Исследовать особенности напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации при горячей прокатке толстого листа из слябов толщиной 250 и 313 мм с учетом неравномерности распределения температур и деформаций по сечению очага деформации и влияния формы очага деформации. Скорректировать на основе полученных результатов математические модели для расчета усилия прокатки, момента на валу и тока в якоре электродвигателей стана.

5. Исследовать особенности формоизменения раската при прокатке на стане 5000 с использованием модели процесса прокатки в Ое/огт-ЪВ и экспериментальных измерений на стане. Создать быстродействующие математические модели для расчета уширения и удлинения раската для обеспечения возможности точного расчета площади контакта металла с прокатными валками, определяющей усилие прокатки.

6. Оценить возможность использования комплекса разработанных быстродействующих математических моделей в алгоритмах оптимизации режимов прокатки по энергосиловым параметрам в зависимости от используемой технологии прокатки толстого листа.

При выполнении работы получены результаты, отличающиеся научной новизной, в том числе:

1. Скорректированы методики расчета усилия прокатки, момента прокатки, тока в якоре электродвигателя для стана 5000 при прокатке толстого листа, а именно: • на основании анализа напряженно-деформированного состояния металла при прокатке толстого листа, выполненного при помощи математического моделирования, в методику расчета усилия прокатки в условиях высокого очага деформации введена поправка, учитывающая существенное влияние неравномерности температурного поля раската;

• на основании сопоставления экспериментальных и расчетных значений энергосиловых параметров определены калибровочные коэффициенты в формулах расчета коэффициента напряженного состояния при определении усилия прокатки в условиях среднего очага деформации, расчета коэффициента плеча равнодействующей при определении момента прокатки, установлен коэффициент пропорциональности между моментом на валу и током в якоре электродвигателей стана.

В результате внесенных изменений в методики расчета энергосиловых параметров для установившегося процесса прокатки средняя относительная ошибка расчета усилия прокатки для выборки из 2111 проходов составила 5,6 %, момента на валу электродвигателя для выборки из 93 проходов — 4,4 %, тока в якоре электродвигателя при той же выборке - 3,8%.

2. Получены количественные соотношения основных параметров прокатки и интенсивности деформации в центральных слоях раската с учетом неравномерности температурного поля. Это обеспечивает дополнительную возможность управления качеством готового проката, в частности, равномерностью структуры и механических свойств по толщине.

3. Предложены алгоритмы расчета режимов обжатий, обеспечивающие максимально допустимую загрузку стана 5000 по энергосиловым параметрам. Алгоритмы включают в себя совокупность разработанных математических моделей, позволяющих с высокой точностью рассчитывать энергосиловые параметры прокатки.

Практическая значимость результатов работы. В результате выполненных работ создан комплекс быстродействующих математических моделей для расчета энергосиловых параметров с высокой точностью, на основе которого разработаны алгоритмы расчета режимов обжатий с максимально возможными энергосиловыми параметрами. Комплекс принят к внедрению в систему автоматического управления станом 5000 ОАО "Северсталь" (акт внедрения результатов работ от 17.10.2013), что позволит обеспечить оптимальную загрузку стана и

предотвратить превышение предельных значений энергосиловых параметров при прокатке.

Апробация результатов работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на 9-ой Международной научно-технической конференции "Современные металлические материалы и технологии " (СММТ'11, 22-24 июня 2011, СПб); Международной научно-практической конференции "ХЬ Неделя науки СПбГПУ", (5-10 декабря 2011, СПб); 6-ой Международной молодежной научно-практической конференции "Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина" (26-30 октября 2012, Екатеринбург); Научно-практической конференции с международным участием "ХЫ Неделя науки СПбГПУ", (3-8 декабря 2012, СПб); Молодежной научной конференции "Студенты и молодые ученые — инновационной России" (23-24 мая 2013, СПб); 10-ой Международной научно-технической конференции "Современные металлические материалы и технологии" (СММТ'13, 25-29 июня 2013, СПб); 1-ой Международной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в черной металлургии" (2-4 октября 2013, Череповец).

Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечена:

• использованием аттестованного оборудования лаборатории "Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов" СПбГПУ для исследования структуры и свойств металла;

• применением соврем