автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Снижение энергозатрат при широкополосной горячей прокатке на основе моделирования и выбора эффективных режимов смазывания валков

На правах рукописи

005016961

Харченко Максим Викторович

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ СМАЗЫВАНИЯ ВАЖОВ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением.

Технические науки.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ВД ¿о1.?

Магнитогорск 2012

005016961

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре «Машины и технологии обработки давлением»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Платов Сергей Иосифович

Официальные оппоненты: Денисов Сергей Владимирович

доктор технических наук, ОАО «ММК», центральная лаборатория контроля, начальник.

Медведев Александр Геннадьевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», кафедра «Экономики и коммерции».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет», г. Челябинск.

Защита состоится 25.05.2012г. в 16.30 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, ауд.304.

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

Автореферат разослан «¿-5» апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С развитием современной промышленности появилась необходимость в производстве марок стали с высокими классами прочности, способных выдерживать высокие нагрузки и работу в суровых условиях. При производстве такого рода продукции производственное оборудование (в частности станы горячей прокатки) испытывает высокие нагрузки, близкие к критическим. Поэтому, перед выпуском данной продукции, с учетом технических возможностей оборудования, необходимо рассмотреть вопросы, связанные с разработкой и применением методов, направленных на снижение энергозатрат при прокатке.

Для снижения энергозатрат при горячей прокатке известно применение смазочного материала (далее по тексту СМ). Изучение данного вопроса широко представлено в работах: Белосевича В.К., Вейлера С .Я., Горенштейна М.М., Зильберга Ю.В., Тилика В.Т., где рассматривался опыт применения, способы и схемы подачи различного СМ, а также Адамского С.Д., Грудева А.П., Килиевича А.Ф Кокрофта М.Г. и др. где разработаны общие теоретические подходы и математические модели для оценки эффективности его применения.

В настоящее время на непрерывном широкополосовом стане горячей прокатки (далее по тексту НШСГП) 2000 ОАО «ММК», на первых трех клетях чистовой группы, используется система подачи технологической смазки (далее по тексту СТС), подающая жидкий, минерального происхождения СМ на поверхность опорного валка со стороны выхода металла из клети.

Одним из существенных недостатков в работе СТС является отсутствие взаимосвязи между количеством подаваемого СМ и свойствами прокатываемого материала. Вследствие чего, СТС эксплуатируется в ограниченном режиме, а снижение энергозатрат не существенно и составляет 3....6 %.

Анализ вышеперечисленных работ показал, что для схемы применения СТС в условиях НШСГП 2000 ОАО «ММК» отсутствуют методики, позволяющие оценить влияние СМ на снижение энергозатрат в системе «полоса-валок-клеть кварто»; отсутствуют математические подходы для определения расхода СМ с учетом специфики производства и свойств прокатываемого материала.

Поэтому исследования, направленные на разработку математических моделей, описывающих взаимодействие в системе «полоса-валок-клеть кварто», с учетом особенностей существующей СТС для поиска рекомендаций и определения расхода СМ, с целью снижения энергозатрат при прокатке, являются актуальными.

Цель исследования. Снижение энергозатрат при широкополосной горячей прокатке, на основе математического моделирования энергосиловых параметров клети кварто и выбора эффективных режимов подачи смазочного

материала. Для реализации указанной цели в работе последовательно решаются следующие задачи:

1. Определить влияние СМ на энергосиловые параметры процесса горячей прокатки путем экспериментальных исследований.

2. Разработать математическую модель процесса горячей прокатки с учетом особенности схемы подачи СМ.

3. Разработать математическую модель по определению расхода СМ и провести теоретические исследования влияния расхода СМ на энергосиловые параметры при прокатке.

4. Разработать технологию и выбор эффективных режимов смазывания валков с целью снижения энергозатрат, провести оценку экономической эффективности предлагаемых решений.

Научные результаты, выносимые на защиту. Лично автором:

1. Предложена классификация сходного по свойствам прокатываемого сортамента на группы энергоэффективности, заключающаяся в объединении сходного по энергозатратам прокатываемого материала, с целью разработки технологии и рекомендации, повышающих энергоэффективность широкополосной горячей прокатки, путем выбора эффективных режимов подачи СМ.

2. Разработана и предложена методика расчета энергосиловых параметров процесса горячей прокатки с применением СМ, дополненная коэффициентом, позволяющим оценить влияние СМ на снижение энергозатрат при прокатке.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определить расход СМ в зависимости от: технических особенностей СТС, технологических параметров процесса горячей прокатки и свойств прокатываемого материала.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

1. Для условий широкополосной горячей прокатки с применением СМ впервые предложена классификация прокатываемого металла по геометрическим и реологическим характеристикам, объединяющая сходный прокатываемый сортамент в группы энергоэффективности, позволяющая произвести оценку влияния данных свойств на потребление удельного расхода энергии.

2. Методика энергосилового расчета процесса горячей прокатки на НШСГП впервые дополнена коэффициентом влияния СМ (к'а,)- На основе регрессионного анализа установлены численные значения данного коэффициента в зависимости от групп энергоэффективности = 2,17... 2,52.

3. Для определения эффективных режимов смазывания валков при широкополосной горячей прокатке на основании методик Адамского С.Д., Грудева А.П., Килиевича А.Ф, произведено уточнение уравнения баланса расхода СМ, отличающееся тем, что учитываются конструктивные особенности СТС и свойства прокатываемого материала на основе предложенных групп энергоэффективности.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Определены эффективные режимы смазывания валков для каждой из предложенных групп энергоэффективности, в зависимости от технологических параметров горячей прокатки на широкополосном стане.

2. Разработан алгоритм, позволяющий произвести интеграцию СТС с АСУ ТП стана, для оперативной корректировки расхода СМ в зависимости от групп энергоэффективности.

3. Разработан ряд программных продуктов по определению количества СМ в зависимости от технологических параметров горячей прокатки на широкополосном стане и групп энергоэффективности. Программы для ЭВМ защищены свидетельствами о Государственной регистрации.

4. Предложенные мероприятия рекомендованы к использованию на НШСГП 2000 ОАО «ММК», на что получены соответствующие акты.

Совершенствование существующих математических моделей по определению расхода СМ при горячей прокатке позволит снизить токовые нагрузки на двигатель главного привода и уменьшить удельный расход энергии при прокатке в среднем на 5...9%.

Внедрение разработок на НШСГП 2000 в ЛПЦ №10 ОАО «ММК» позволит сэкономить порядка 1889 тыс. рублей в год.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В диссертационной работе:

1. Произведено изучение связей в системе «полоса-валок-клеть «кварто» при продольной широкополосной прокатки с применением СМ, позволяющее снизить энергозатраты при работе прокатного стана, что соответствует формуле специальности 05.02.09. «Технология и машины обработки давлением».

2. Проведены исследования направленные на оценку напряженного состояния инструмента, рассмотрено влияние СМ на технологию широкополосной продольной прокатки заготовок, что соответствует п.5,7 области исследования.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности: 05.02.09. «Технология и машины обработки давлением». Технические науки.

Апробация работы. Основные положения работы представлены: на 67 -69 межрегиональных научно - технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова» 2009 - 2011г., конференции молодых специалистов ОАО «ММК» 2009 - 2011г., У1-ой международной научно - практической конференции «Интеллект молодых - производству» Украина, Ново-краматорск 2010г., Четвертом международном промышленном форуме, Челябинск 2011, УШ-ом международном конгрессе прокатчиков, Магнитогорск 2010г., XVII -ой Петербургской технической ярмарке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции. ШТес 2012», Санкт-Петербург 2012г. (с присуждением серебряной медали и диплома за лучший исследовательский про-

ект), XV-ом Московском международном Салоне изобретений «Архимед», Москва 2012г. (с присуждением золотой медали).

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

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 163 страницы машинописного текста, в том числе: 55 рисунков, 20 таблиц, 4 приложения. Объем библиографии составляет 119 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано, что одним из рациональных путей, направленных на снижение энергосиловых параметров процесса горячей прокатки, является использование в технологии СТС. Раскрыта актуальность данной работы, сформулирована научная новизна работы.

В первой главе представлен положительный опыт применения СТС, рассмотрены свойства и требования, предъявляемые к СМ. Показано, что в настоящее время, в технологии горячей прокатки взамен твердых СМ (органического или неорганического происхождения) нашли применение жидкие СМ (на растительной или минеральной основе, с температурой воспламенения 250...500 С0 и вязкостью 38...50 мм2/с). К недостаткам твердых СМ, по сравнению с жидкими, можно отнести: трудноудаляемость остатков СМ с поверхности готовой продукции, что приводит к ухудшению ее травимости, нестабильность формирования толстых пленок, что вызывает различные силы трения по ширине, длине контакта и приводит к искажению формы полосы; отсутствие контроля и равномерности толщины слоя. Применение жидких СМ, совместно с разработанными системами и алгоритмами для контроля за расходом СМ при горячей прокатке, позволяет исключить вышеуказанные недостатки.

Изучению влияния СМ на эффективность процесса широкополосной горячей прокатки представлены в работах: А.П. Грудева, Л.Г. Тубольцева, А.Ф. Килиевича, Д.С. Коднира и др.

Приведен широкий патентный поиск и обзор литературных источников, отражающий известные СТС, а также существующие математические модели, описывающие изучение связей в системе «полоса-валок-клеть кварто» при горячей и холодной прокатке с учетом СМ.

На основе анализа работ авторов: А.И. Целикова, С. Экелунда, JI.B Анд-реюка, Э.А. Гарбера, Е.М. Третьякова, Ю.В. Коновалова, и др., путем последовательного расчета, дана оценка влияния СМ на энергосиловые параметры изучаемого процесса:

• усилий, с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации;

• определение влияния СМ на токовую загрузку и момент двигателя главного привода, согласно схеме подачи СМ на рис. 1.

Проведен анализ известных методик А.П. Грудева, Д.С. Коднира, Л.Г. Ту-больцева, А.Ф. Килиевича, позволяющих определять количество подаваемого СМ. Показана возможность адаптировать 'известные методики под рассматриваемые условия горячей прокатки на НШСГП 2000 ОАО «ММК».

Проведенный анализ позволил определить цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена определению влияния СМ на энергосиловые параметры процесса горячей прокатки и оценке эффективности применения СТС в чистовой группе НШСГП 2000 ОАО «ММК»..

В качестве параметра, отражающего влияние СМ на энергосиловые параметры процесса горячей прокатки был выбран момент на валу главного привода (Мдв,МН • м), который определялся по условию:

(/2(П)І?Я) - (Ц(п)'хх) - (І^яШ

М)о(л) =

ш(п)

<°(п)

(1)

где /^¿«(п) - мощность прокатки (Вт), Ы(п)- угловая скорость, (рад/с), (/(„) - напряжение (В), /(„) - ток двигателя (А), ( - передаточное число, 77 - КПД стана, ¡^ - ток холостого хода, 1„=Ъ%1И0М, (А), Дя- сопротивление в якорной цепи, (Ом), п - номер клети (п=7... 9).

Сортамент прокатываемого металла на НШСГП 2000 ОАО «ММК» достаточно разнообразен, поэтому для качественной оценки влияния СМ на энергосиловые параметры процесса предложена классификация прокатываемого металла по геометрическим характеристикам (толщина Ь; мм, ширина В;,мм) и параметру предел текучести при стандартных условиях испытаний (сто;, МПа). Данная классификация объединяет сходный прокатываемый сортамент в группы энергоэффективности и представлена в табл. 1. Параметр (сгог), является основным, отражающим свойства материала в представленной классификации, относительно которого будут достигнуты цели поставленной работы.

Табл.1

Классификация прокатываемого металла по геометрическим и реологиче-

Группа энергоэффективности Оои (МПа) Ііі (мм) В і (мм)

1 <76 <2,0 <1000

2 76-82 2,1-4,0 1001 - 1500

3 82-94 4,1-8,0

4 94-102 >1500

5 102-116 >8,0

6 >116

Значение (а01) рассчитано по методике Л.В. Андреюка.

Оценка влияния СМ на изменение токовой загрузки и момента двигателя главного привода производилась в каждой группе предложенной классификации с помощью статистической обработки массива данных, содержащего информацию о 652-х слябах, 20-ти различных марок стали соответствующих 47 плавко-партиям.

Произведенная оценка показала снижение Мда при прокатке (табл. 2), рассчитанного по (1).

Табл. 2.

_Усредненное значение снижения Мта по клетям 1-9._

Группа энергоэффективности. (мЙа) тдв = мдв-щ, (%)

1 <76 1-1,5% (Ь2 =2,1-4 мм, В,= 700-1000 мм)

2 76-82 1-1,2% (Ь-, =4,1-8 мм, В,= 700-1000 мм)

3 82-94 □ 0% (Ь, <2 мм, В,= 700-1000 мм)

4 94-102 3-5% (Ъ, =4,1-8 мм, В,= 1500-1830 мм)

5 102-116 6-10% (114 = >8 мм, В2= 1001-1500 мм)

Снижение Мдв зафиксировано при прокатке с подачей СМ в постоянном объеме, соответствующего ТИ 374-2010 ОАО «ММК»: верхний коллектор 0,08 л/мин., нижний коллектор 0,10 л/мин.

Обработка массива данных методом описательных статистик позволила выявить зависимость:

^ = 1.138 - 0.101 + 0.0069 + 0.698 (^°п(п) ) - 0.147Кр(п)+

' \ оп ' ['оп 1 \"раб(п)/

+ 0.0267р(п)2 ; ^ '

{Ррасч = 44,98;^ = 2,4). Примечание: верхний индекс «0» указывает на отсутствие СМ; индекс «1» указывает на присутствие СМ.

где Кр(п) - скорость прокатки, м/с, - распределенная погонная нагрузка, МН/м,

Ьоп

°"Сп) — отношение диаметров опорного и рабочего валков.

"раб(л)

Методика энергосилового расчета процесса горячей прокатки на НШСГП дополнена коэффициентом, учитывающим влияние СМ на изменение токовой загрузки главного привода. Обозначив как к'см и с учетом (1), получаем соотношение, описывающее изменение ДМдв при горячей прокатке с применением СМ:

ШМп) = (3)

где ах = 0,1 — экспериментально полученный коэффициент.

Базовое уравнение по расчету момента двигателя Мде(п) (1) дополнено коэффициентом (2) и, видоизменившись, представляет зависимость (4):

Установлены численные значения данного коэффициента в зависимости от групп энергоэффективности к'см = 2,17... 2,52.

Полученные численные значения снижения токовой загрузки двигателя (/,А) и момента на валу главного привода (Мдв,МН-м) в процессе горячей прокатки с использованием СТС (табл. 2) указывают на возможность повышения энергоэффективности широкополосной горячей прокатки, преимущественно для марок стали с высокими классами прочности (марки стали групп 4-6). Поставленная цель может быть достигнута путем математического моделирования процесса горячей прокатки с наличием СМ, численного определения требуемых расходов СМ, в зависимости от технологических параметров процесса прокатки и свойств заготовки.

Третья глава посвящена разработке математической модели энергосиловых параметров процесса горячей прокатки с наличием СМ в системе: «полоса-валок-клеть кварто».

Математическое моделирование процесса горячей прокатки с наличием СМ в системе: «полоса-валок-клеть кварто» производилось путем последовательного решения следующих задач:

1. аналитического расчета усилий с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации;

2. определения влияния СМ на токовую загрузку и момент двигателя главного привода моделированием межвалкового контактного взаимодействия клети кварто, согласно схеме подачи СМ на рис.1.

Аналитический расчет усилий, с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, определялся согласно современной методике Э.А. Гарбера (рис. 1), в которой сопротивление деформации полосы определяется с учетом фактического изменения очага деформации в упруго-пластической зоне.

Результаты сравнительного расчета усилий, с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, приведены в табл. 3,4.

На основании проведенных расчетов и статистической обработки экспериментальных данных, с достоверностью в 95% установлено, что наличие СМ не оказывает воздействие на изменение заданных технологией режимов обжатий.

Было выдвинуто предположение, что из всего объема СМ непосредственно в очаге деформации присутствует лишь малая его часть (преимуществен-

Рис. 1. Схема очага деформации

но в виде зольных осаждений), не влияющая на изменение протяженности выделенных в очаге деформации зон (табл. 3), а следовательно, и на величину Рср; (табл. 4).

Табл. 3.

Результаты расчета протяженности зон в очаге деформации.

Группа Марка (профиль) hM, мм. hi, мм. 6,% ІС, мм Хіупр» мм. х4, мм. Хщі, мм.

1 SAE -1006 (2,0x1250) 30 15,54 15,54 48,2 48,2 78.4 78,4 м 0,6 1,87 1,87 75,93 75,93

2 St 37-2 (2,0 х 1000) 30 20,55 20,6 31.5 31,3 63,4 63,2 0,08 0,08 2.26 2,27 61.0 60,85

3 09Г2Д (4,0 х 885) 30 17,85 17,94 40.5 40,2 71.9 71,6 0.07 0,08 2.70 2.71 69,12 68,81

4 10ХСНД (8,0 х 1500) 30 17,1 16,9 43,0 43,6 74.0 74,6 0,08 0,08 2.41 2.42 71,51 72,1

5 10Г2ФБЮ (10,30 х 1668) 30 20,0 19,1 38,6 38,2 88,4 88,7 0.08 0,08 2.95 2,85 85,37 85,77

Примечание: в числителе прокатка осуществляется без СМ, в знаменателе со СМ, hi_1, hi — толщина полосы на входе и выходе из клети, мм.; £; - относительное обжатие, %.; 1с - длина дуги контакта, мм.; рср - среднее контактное напряжение, МПа; Р - усилие прокатки, т; х1упр - протяженность первого упругого участка, мм.; х4 - протяженность второго упругого участка, мм.;хга - протяженность пластического участка, мм.;

Табл. 4.

Результаты сравнительного расчета энергосиловых параметров в очаге ____деформации. ___

Груп па Марка (профиль) Рср,МПа Р,МН ДР,% Р апрі> МДж Nnp, МВт

1 SAE -1006 (2,0x1250) 191 191 22,92 22,51 1,78 0.31 0,32 16,323 16,402 3,512 3,529

2 St 37-2 (2,0 х 1000) 229 227 20,42 19,51 4,45 0.30 0,31 16,931 17,259 3,217 3,371

3 09Г2Д (4,0 х 885) 275 274 15,60 15,45 0,96 0,41 0,43 6,610 6,727 1,571 1,605

4 10ХСНД (8,0 х 1500) 249 247 26,73 25,50 4,6 0.53 0,57 7,692 8,164 1,764 1,834

5 10Г2ФБЮ (10,30 х 1668) 303 292 26,70 25,65 3,93 0.52 0,56 8,948 9,276 2,218 2,340

Примечание: в числителе прокатка осуществляется без СМ, в знаменателе со СМ, Рср — среднее контактное напряжение, МПа; Р — усилие прокатки, МН, ц - коэффициент трения, а - удельная работа прокатки, МДж, Nnp - мощность прокатки, МВт.

Причинами отсутствия СМ в очаге деформации могут служить: свойства

самого СМ, работа систем охлаждения валков и межклетевого пространства,

которые подлежат дальнейшим исследованиям и в данной работе не рассматривались.

Поэтому, для определения энергоэффективности процесса горячей прокатки оценивалось влияние СМ на токовую загрузку и момент двигателя главного привода моделированием межвалкового контактного взаимодействия клети кварто с помощью:

1. количественной оценки влияния СМ, определением контактных напряжений между рабочим и опорным валками;

2. моделирования контактного взаимодействия по методикам А.И. Цели-кова, A.B. Третьякова для определения влияния СМ на момент трения между рабочим и опорным валками.

Задача определения контактных напряжений между рабочим и опорным валками двумя способами, с последующим их сравнением и оценкой достоверности: с помощью автоматизированного расчета в программе «DEFORM 3D» и аналитически, на основе решения задачи Герца-Беляева. В результате моделирования получены численные значения контактных напряжений (т ) для различных групп марок стали (croi,) (табл. 4). Погрешность в сравнении полученных результатов не превышает 5%.

Момент трения между рабочим и опорным валками (м?р°п)) ПРИ подаче СМ определяли:

Км)0'1 = Мд=сп) - Мпр(п)/г - мхх - М™. (МН • м) (5)

где МдВ(п) определяется по выражению (1);

Мдв(п) определяется по выражению (4).

Результаты расчета для первой чистовой клети (клеть №7) приведены в табл. 5:

Табл. 5.

Результаты расчета напряжений и момента трения между опорным и рабочим _валками (М^р ° ) ' , в зависимости от наличия СМ. _

<Jbi > 002 0оз °04 tfos

Параметры: (<76 (76-82 (82-94 (94-102 (102-

МПа) МПа) МПа) МПа) 116 МПа)

Ршах (МПа) 1214 827 1102 1352 1468

г7г' (МПа) 128/88 95/71 145/78 161/88 175/82

(MDViNC^MH.M) 0,31/0,29 0,10/0,06 0,17/0,15 0,19/0,18 0,63/0,55

Расчет ) произведен по (5), в соответствии с расходом СМ, опре-

деленным ТИ 374-2010 ОАО «ММК».

Представленные в таблице значения изменения контактных касательных напряжений и момента трения между опорным и рабочим валками подтверждают предположение о влиянии СМ на межвалковое взаимодействие.

Отсутствие в ТИ 374-2010 ОАО «ММК» рекомендаций, определяющих расход СМ в зависимости от параметров подката и технологии процесса, позволило в работе поставить и реализовать задачу по нахождению расхода СМ в зависимости от: технических особенностей СТС (расположения угла установки коллектора подачи СМ (/?,град.)), технологических параметров процесса горячей прокатки (скорость прокатки (V(n), м/с), диаметр валков (D(n), мм), длина бочки валка (L, мм)) и свойств' прокатываемого материала (предел текучести металла (troi, МПа)), на основе предложенных групп энергоэффективности. За основу было положено уравнение баланса расхода СМ, предложенное авторами Л.Г. Тубольцевым, А.Ф. Килиевичем. С учетом адаптации существующего подхода к рассматриваемой системе (рис. 2), предложена расчетная модель (10).

Для данной схемы уравнение баланса расхода СМ имеет вид:

Qcумм(п) = Qa(n) + С?к(п) + Ql(n) ~ Q~(„)! (6)

где Qa(n) = Ga(n) • L • /ia(n))/t(n) - расход CM адге-зировавшегося на поверхности опорного валка, (л/мин);

1а(п) - длина дуги валка, определенная длиной участка I (рис. 2), мм.;

L - длина бочки опорного валка, мм; /ia(n) — толщина адгезировавшегося слоя СМ, мм.;

t(n) - время, за которое валок делает один оборот, (мин);

Qi(n) ~ расход СМ в зоне выхода из межвалкового контакта, (л/мин):

<?1(т0 = (лО0п(п) -1а- 2/к(п))(/11(п)/2)/,поп(г0 (7)

где 1К(П) - полуширина площадки контакта;

Ооп(п)."оп(п) - диаметр и количество оборотов опорного валка соответственно; (п) — толщина слоя СМ в плоскости выхода; <Г(П) - потерянное количество СМ., вследствие смыва водой и рядом других

обстоятельств, определяемое коэффициентом потери СМ, = Па(п)~к":п) =

о^о-о-ео НаМ

<?а(п)

Расход в зоне контакта рабочего и опорного валков <?к(п), определен из выражения:

С?к(п) = Лк(п) • 21к(п) ■ I • Поп(п) (8)

где Лк(„) — толщина слоя СМ в зоне контакта рабочего и опорного валков, мм.;

Величину /гк(п) определяли на основании работ А.П. Грудева, базирующихся на методике Д.С. Коднира, действующая в диапазоне температур +40...+120 С° (средняя температура межвалкового взаимодействия клети кварто составляет +60...+70 С0)

ЗДУ^р о.иао.бид0-«

V") =-„0,15 п 0.4 (9)

где т]0 — динамическая вязкость масла при атмосферном давлении и рабочей температуре, Па с\ и£ - суммарная скорость качения на контакте, м/с; а - пьезокоэффициент вязкости, Па'-, р - приведенный радиус кривизны поверхностей трения, м; Чт(п)~

нагрузка на единицу длины контакта, Н/м.

Таким образом, используя (6-9), получаем (10), где:

Яр(п) и й0п(п) - радиусы рабочего и опорного валков соответственно, мм.;

1-й? '

г) - упругая постоянная материала валков: г] = ——I- —— Е1 и Е2 - модули упругости материалов рабочего и опорного валков соответственно, МПа.

и т9| — коэффициента Пуассона для рабочего и опорного валков. fcш - базовый коэффициент шероховатости, (кш = 0,15); шоп(п) — угловая скорость опорного валка, с"1; шр(п) — угловая скорость рабочего валка, с"1;

шср(п) ~ усредненная угловая скорость опорного и рабочего валков, с"1; азах - угол захвата СМ валками, рад.

@сумм(п)=

+

+ 1 I 2'256 ^Й^+^Д ,-РпрО- 1 1 +

(10)

, (( Эг]0аупр ^ \ (^оп(п) +

+ [[ожЦ-е-*] + иР(п) + а>срМ))

Проведена проверка адекватности предложенной модели (10) путем сравнения существующих на НШСГП 2000 ОАО «ММК» и расчетных значений расхода СМ (табл. 6).

Табл. 6.

Оценка адекватности модели по расчету значений расхода СМ

Марка стали Группа энергоэффективности Расход поТИ, (л/мин) Расход расчетный по клетям, л/мин. (отклонение от существующего, %)

7 8 9

ЭАЕ 1006 (аналог 08Ю) 1 (<76 МПа) 0,08 0,08 (0) 0,13 (+62.5%) 0,20 (+150%)

10Г2ФБЮ 5 (102- ПбМПа) 0,08 0,08 (0) 0,10 (+25%) 0,14 (+75%)

13Г1С-У 5 (102- ПбМПа) 0,08 0,06 (-25%) 0,09 (+12,5%) 0,12 (+50%)

При анализе расчетных данных с экспериментальными установлено, что существующий расход СМ для клети №7 достаточен и обеспечивает снижение силы тока /(7) и момента двигателя главного привода Мдв^. Расход СМ для 8 и 9 клетей нуждается в корректировке, что соответствует с производственной необходимостью на НШСГП 2000 ОАО «ММК».

Четвертая глава посвящена разработке технологии продольной широкополосной горячей прокатки с применением системы подачи технологической смазки.

Решались следующие задачи:

• определить граничные условия для предложенной модели (10), обеспечивающие стабильность процесса прокатки;

• разработать технологию и произвести выбор эффективных режимов смазывания валков с целью снижения энергозатрат при широкополосной горячей прокатке;

• определить экономический эффект от разработанных мероприятий. При исследовании влияния количества СМ на изменение технологических

параметров процесса горячей прокатки: скорость прокатки (У(„), м/с), диаметры валков (Е>(„), мм), угол установки коллектора подачи СМ (Р,град.), длина бочки валка (Ь, мм), было установлено граничное условие по расходу СМ:

мр~° •>мпДшоп (11)

Для раскрытия аналитической взаимосвязи между расходом СМ и моментом трения между рабочим и опорным валками (м^^.МН ■ м) потребовалось принятие допущений:

• количество СМ, находящегося непосредственно в зоне контакта опорного и рабочего валков, напрямую влияет на условие их взаимодействия, поэтому дальнейший расчет ведется по расходу СМ в зоне контакта ков, дк(71) (л/мин), определенному из (8);

• взаимосвязью между М^"^ и <?к(п) является скорость прокатки Кпр(п):

15

Лдв(тг)Яр(п)

(12) (13)

Кгф(п) ~ мпеМ

_ 1і(2к(п)[їоп(п)

р(п) ~ ЗО /ік(п)ігк(„)

Совместное решение (12-13) определяет момент двигателя на валу главного привода (Мдв, МН • м) и момент трения между рабочим и опорным валками (М?р°, МН • м) как:

3 0/ссм^дв(п) Др(п) Лк(п) Ик(п)

мдв(п) = " -

„р-о 28,5fcCMjVAB(n)/?p(n)faK(n)LZK(n) .

(14)

(15)

Используя граничное условие (11), выражение (15), рассчитываются рекомендуемые расходы СМ и определяются предельные допустимое значения для каждой из групп энергоэффективности (табл. 7).

Табл. 7

группа энергоэффективности МПа рекомендуемый и допустимый] расход СМ на клеть (л/мин)

7-ая клеть 8-ая клеть 9-ая клеть

1 (<76 МПа) 0,10... [0,11] 0,15... [0,16] 0,31... [0,32]

2 (76-82 МПа) 0,14... Г0,16] 0,13... [0,15] 0,21... [0,24]

3 (82-94 МПа) 0,08... [0,10] 0,10... Г0,12] 0,15... [0,17]

4 (94-102 МПа) 0,07... Г0,091 0,11... Г0,12] 0,13... [0,16]

5 (102-116 МПа) 0,06... Г0,081 0,09... Г0,10] 0,14... [0,191

Для технологии продольной широкополосной горячей прокатки с применением СМ разработан алгоритм работы СТС, позволяющий произвести ее интеграцию с АСУ ТП стана для оперативной корректировки расхода СМ в зависимости от групп энергоэффективности. Блок схема алгоритма представлена на рис. 3. Численная реализация осуществлена на языке программирования «Delphi». На разработанный продукт получено свидетельство о Государственной регистрации №2011610630.

В качестве примера, в табл. 8, приведен типовой расчет значений расхода СМ по одному монтажу. Предложенные мероприятия рекомендованы к использованию на НШСГП 2000 ОАО «ММК», на что получены соответствующие акты.

Оценка экономической эффективности от разработанных мероприятий проводилась путем определения изменения удельного расхода энергии при прокатке в клетях №№7 - 9 НШСГП 2000 ОАО «ММК» на основе полученных рекомендаций. При снижении удельного расхода энергии в среднем на 5...9% экономический эффект составит 1889 тыс.руб. в год.

Рис. 3. Алгоритм для расчета и поиска эффективных режимов смазывания валков.

Табл. 8

Пример результатов расчета значений расхода СМ и параметра момент на валу главного привода по одному

монтажу.

Параметры подката (количество прокатанных полос 153 шт.) Расчетные значения МдД (МН-м) (при постоянном расходе СМ 0,08 л/мин по технологии согласно ТИ) Рекомендуемый расход СМ на клеть, (отклонение от ТИ, л/мин.) Расчетные значения МД1Л (МН-м) при использовании рекомендуемых расходов СМ.

марка (профиль, мм.) о0, МПа клеть клеть клеть

7 8 9 7 8 9 7 8 9

8АЕ 1006 (2,0x1250) 76 (1 группа) 1,35 1,06 0,63 0,11 (+0,03) 0,15 (+0,07) 0,31 (+0,23) 1,2 0,9 0,1

Ь245МВ (8,80 х 1300) 78 (1 группа) 0,83 0,67 0,42 0,10 0,14 (+0,06) 0,22 (+0,12) 0,68 0,52 0,18

8137-2 (2,0 х 1000) 80,5 (2 группа) 0,90 0,76 0,45 0,09 (+0,01) 0,15 (+0,07) 0,20 (+0,12) 0,87 0,54 0,34

20 (4,80x 1505) 88 (2 группа) 0,91 0,91 0,44 0,10 (+0,02) 0,09 (+0,01) 0,16 (+0,08) 0,86 0,79 0,31

09Г2Д (4,0x885) 92,6 (3 группа) 0,83 0,55 0,44 0,09 (+0,01) 0,11 (+0,03) 0,15 (+0,07) 0,77 0,54 0,44

10ХСНД (8,0 х 1500) 93,3 (4 группа) 0,86 0,76 0,53 0,10 (+0,02) 0,12 (+0,04) 0,14 (+0,06) 0,80 0,71 0,46

13Г1С-У (12,0 х 1660) 90,16 (5 группа) 0,98 0,92 0,58 0,08 0,112 ' (+0,032) 0,15 (-0,07) 0,86 0,85 0,38

10Г2ФБЮ (10,30х 1668) 120 (5 группа) 1,57 1,3 0,79 0,067 (-0,013) 0,10 0,18 (+0,1) 1,1 0,98 0,44

Выводы по работе.

1. Экспериментальным путем определено влияние СМ на энергосиловые параметры процесса широкополосной горячей прокатки НШСГП 2000 ОАО «ММК». Выявлено, что с вероятностью в 97,7% при прокатке различных марок стали работа СТС влияет на: момент Мав(п) и силу тока двигателя /ДВ(П) главного привода. С достоверностью в 95% установлено, что наличие СМ в межвалковом контакте не оказывает воздействие на изменение заданных технологией режимов обжатий;

- для условий широкополосной горячей прокатки с применением СМ, предложена классификация прокатываемого металла по геометрическим и реологическим характеристикам, объединяющая сходный прокатываемый сортамент в группы энергоэффективности и позволяющая дать оценку влияния данных параметров на потребление удельного расхода энергии;

- на основе регрессионного анализа, методика энергосилового расчета про-

цесса горячей прокатки на широкополосном стане дополнена коэффициентом влияния СМ (&£„), установлены численные значения данного коэффициента в зависимости от групп энергоэффективности: ка1 = 2,17 ...2,52.

2. Разработана математическая модель энергосиловых параметров процесса горячей прокатки с наличием СМ;

-проведенный аналитический расчет усилия прокатки, с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации показал, что наличие СМ не влияет на изменение протяженности выделенных в очаге деформации зон, а следовательно, и на величину рсР[. в следствии отсутствия СМ в очаге деформации. Причинами отсутствия СМ в очаге деформации могут служить: свойства самого СМ, работа систем охлаждения валков и межклетевого пространства.

-в модели контактного взаимодействия произведен расчет момента трения

между опорным и рабочим валками ) (без учета потерь на трение в подшипниках опорного валка) с наличием СМ. Результаты расчета показали снижение (М£°)\ по всему сортаменту в среднем на 5%.

3. На основе уравнения баланса СМ разработана математическая модель, позволяющая в зависимости от: технических особенностей СТС (расположения, угла установки коллектора подачи СМ (/?, град.)), технологических параметров процесса горячей прокатки (скорость прокатки (У(п), м/с), диаметр валков (В(п), мм), длина бочки валка (Ь, мм)) и свойств прокатываемого материала (предел текучести металла (а01,МПа)), на основе групп энергоэффективности определять расход СМ.

Проведена проверка адекватности предложенной модели. Установлено, что существующий расход СМ для клети №7 достаточен и обеспечивает снижение силы тока /(7)и момента двигателя главного привода Мдфу Расход СМ для 8 и 9 клетей нуждается в корректировке.

4. Проведены теоретические исследования о влиянии расхода СМ на момент и токовую загрузку двигателя главного привода при прокатке, поставлены граничные условия, на основании которых:

- определены численные значения максимального расхода СМ на каждую

клеть в зависимости от предложенных групп энергоэффективности.

5. Разработана технология и рекомендации, повышающие энергоэффективность широкополосной горячей прокатки путем выбора эффективных режимов подачи СМ;

- разработан ряд программ для ЭВМ по определению количества СМ в зави-

симости от технологических параметров горячей прокатки на широкополосном стане и групп энергоэффективности. Программы для ЭВМ защищенные свидетельством о Государственной регистрации №2011610630;

-разработан алгоритм работы СТС, позволяющий произвести ее интеграцию с АСУ ТП стана для оперативной корректировки расхода СМ в зависимости от групп энергоэффективности;

- предложенные мероприятия рекомендованы к использованию на НШСГ11

2000 ОАО «ММК», на что получены соответствующие акты. Расчет экономического эффекта, связанного с применением СТС показал, что удельный расход энергии при прокатке со СМ снижается по трем клетям в среднем на 6...12%, экономический эффект от чего составляет 1889 тыс. руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

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

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

3. Харченко, М.В., Прокатка труднодеформируемых марок сталей на широкополосном стане горячей прокатки, освоением системы подачи технологической смазки на рабочие валки чистовой группы клетей стана / Инновации молодых ученых: Сборник докладов на 67 научно - технической конференции У.М.Н.И.К.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 153-158.

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

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

6. Харченко, М.В., Платов С.И., Дема P.P., Ярославцев A.B., Ларкин К.Е. Исследование режимов обжатий чистовой группы клетей на НШСГП 2000

г""

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» при использовании системы подачи технологической смазки. / Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: междунар. Сб. научн. Тр. / под ред. H.H. Огаркова. / Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. С. 11-16.

7. Харченко, М.В., Платов С.И., Дема P.P., Румянцев М.И. Эффективность процесса горячей прокатки с подачей смазочного материала между опорным и рабочим валками на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки 2000 ОАО «ММК» / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. №4. 2011, С. 19 - 21 (издание рецензируемое ВАК).

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

9. Харченко, М.В., Дема P.P., Румянцев М.И. Разработка рациональных режимов подачи технологической смазки на опорные валки клетей чистовой группы НШСГП 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» / Производство проката №4. 2012, С. 19 - 22. (издание рецензируемое ВАК).

10. Харченко, М.В., Дема P.P., Румянцев М.И. Определение параметров, влияющих на эффективность работы системы подачи технологической смазки непрерывных широкополосных станов горячей прокатки. / Металлургические процессы и оборудование (Украина) №3. 2012, С. 12 - 17 (издание рецензируемое ВАК).

11. Харченко, М.В., Платов С.И., Дёма P.P., Ларкин К.Е. и др. Разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности эксплуатации системы подачи технологической смазки при прокатке на НШСГП 2000 ОАО «ММК» / Сталь №2.2012, С. 52-55. (издание рецензируемое ВАК).

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

Подписано в печать 19.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 273.

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

61 12-5/2923

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

На правах рукописи

Харченко Максим Викторович

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ СМАЗЫВАНИЯ ВАЛКОВ

Специальность 05.02.09 - «Технологии и машины обработки давлением»

Технические науки.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор С.И. Платов

Магнитогорск 2012г.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................

1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ. РОЛЬ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕГО ПРОКАТА.........................................9

1-1 Технология и оборудование, современное состояние и

перспективные направления проиесса горячей

прокатки.............................................................................9

1-2. Опыт применения смазочного материала в технологии

производства горячего проката как способа снижающего

энергозатрат ы..................................................................ц

1-3- Анализ технологий, оборудования и требования предъявляемые к

смазочному материалу при производстве горячего проката.........12

1-3.1. Анализ существующих систем подачи технологической смазки, мест нанесения и схемы подачи смазочного материала в клеть

при горячей прокатке.....................................................................17

1-3.2. Система подачи технологической смазки на опорные валки клетей №№7 - 9 НШСГП 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»...............................................28

1-4. Обзор существующих математических моделей описывающих

проиесс прокатки с учетом смазочного материала....................31

1.5. Цель и постановка задач исследования....................................41

2. ВЛИЯНИЕ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА НА ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СМАЗКИ В ЧИСТОВОЙ ГРУППЕ НШСГП 2000 ОАО «МАГНИТОГОРСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ»..43

2-1. Экспериментальная оиенка эффективности применения смазочного материала в чистовой группе НШСГП 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»......................43

2.2 Определение влияния системы подачи технологической смазки на основные технологические параметры проиесса горячей прокатки.......................................................................51

2.2.1 Статистическая оценка влияния системы подачи технологической смазки на технологические параметры процесса горячей прокатки............................................54

2.3 Построение статистической модели процесса горячей прокатки с

применением смазочного материала.......................................64

2.4 Выводы по главе..............................................................72

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ С НАЛИЧИЕМ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА В СИСТЕМЕ «ПОЛОСА-ВАЛОК-КЛЕТЬ КВАРТО»..........................................74

3.1. Математическое моделирование энергосиловых параметров при горячей прокатке с применением смазочного материала............74

3.1.1. Аналитический расчет усилий на основе напряженно-деформированного состояния в очаге деформации..................80

3.1.2. Оценка влияния смазочного материала на токовую загрузку и момент двигателя главного привода моделированием межвалкового контактного взаимодействия клети кварто ................................................................................84

3-2. Математическая модель расчета расхода смазочного материала для условий горячей прокатки..............................................93

3.2.1. Определение общего расхода смазочного материала при горячей прокатке......................................................................93

3.2.2. Определение расхода смазочного материла, адгезировавилегося на поверхности рабочего валка.........................................95

3.2.3. Определение расхода смазочного материала в зоне межвалкового контакта................................................................98

3.2.4. Определение расхода смазочного материала на зону выхода из межвалкового контакта..............................................................101

3.2.5. Общий расход смазочного материала и проверка адекватности разработанной математической модели..............................103

3.3. Проверка адекватности модели расчета расхода смазочного материала для условий горячей прокатки..............................104

3.4. Выводы по главе...............................................................105

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОДОЛЬНОЙ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СМАЗКИ...............................................108

4.1. Исследование влияния режимов подачи смазочного материала на изменение энергосиловых параметров проиесса широкополосной горячей прокатки............................................................108

4.1.1. Постановка граничных условий по расходу смазочного материала.....................................................................................108

4.1.2. Определение взаимосвязи между энергосиловыми параметрами

проиесса горячей прокатки_и расходом смазочного

материала.....................................................................................109

4.1.3. Исследование влияния расхода смазочного материала на напряженное состояние в межвалковом контакте и энергосиловые параметры при чистовой горячей прокатке.Л 11

4.2. Разработка технологии широкополосной горячей прокатки с использованием системы подачи технологической смазки.........115

4-3. Расчет экономической эффективности от разработанных мероприятий..................................................................119

4.3.1. Определение удельного расхода энергии при горячей прокатке с подачей смазочного материала......................................119

4.3.2. Расчет экономического эффекта от снижения удельного расхода электроэнергии................................................121

4.4. Выводы по главе...............................................................123

4.5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......................................................123

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...........................................126

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

С развитием современной промышленности появилась необходимость в производстве марок стали с высокими классами прочности, способных выдерживать высокие нагрузки и работу в суровых условиях. При производстве такого рода продукции, производственное оборудование (в частности станы горячей прокатки) испытывает высокие нагрузки, близкие к критическим. Поэтому, перед выпуском данной продукции, с учетом технических возможностей оборудования, необходимо рассмотреть вопросы, связанные с разработкой и применением методов направленных на снижение энергозатрат при прокатке.

Одним из рациональных путей, направленных на снижение энергосиловых параметров процесса, является использование в технологии производства горячекатаной продукции систем подачи технологической смазки (СТС). В соответствии с этим необходимо учитывать способ подачи смазочного материала (СМ), его количество, что оказывает влияние на момент двигателя главного привода, характер контакта разделяемых поверхностей. Стоит также акцентировать внимание на том, как присутствие СМ отражается на качестве, свойствах продукции и деформации металла.

Вопросам, связанным со снижением энергосиловых параметров процесса прокатки как горячей, так и холодной, посвящено достаточное количество работ следующих авторов: А.И. Целиков, A.B. Третьяков, Ю.В. Коновалов, A.JI. Остапенко, В.И. Пономарев, П.И. Грудев, А.П. Грудев, Ю.В. Жиркин, Л.Г. Тубольцев, А.Ф. Килиевич, С.Д. Адамский, М.М. Горенштейн, Д.С. Коднир, Е.П. Жильников, Ю.И. Байбородов, Ю.В. Зильберг, В.Т. Тилик, Е.И. Мироненков, О.П. Максименко, C.B. Наконечный, X. С. Ченг.

Попытки использования СМ при горячей прокатке известны давно. Вначале в качестве СМ пытались использовать негорючие материалы (стекло, графит, минеральные соли и т.д.). Данный вид СМ не получил должного

распространения в силу неудовлетворительного качества поверхности проката после прокатки, и только создание высокоэффективных, удовлетворяющих условиям эксплуатации и положительно воздействующих на качество проката СМ, позволило вернуться к проблеме горячей прокатки с СТС на более высоком уровне и в более широких масштабах.

Изучение данного вопроса широко представлено в работах: Белосевича В.К., Вейлера С.Я., Горенштейна М.М., Зильберга Ю.В., Тилика В.Т., где рассматривался опыт применения, способы и схемы подачи различного СМ, а также Адамского С.Д., Грудева А.П., Килиевича А.Ф Кокрофта М.Г. и др. где разработаны общие теоретические подходы и математические модели для оценки эффективности его применения [1 - 6].

В настоящее время, на непрерывном широкополосовом стане горячей прокатки (НШСГП) 2000 ОАО «ММК», на первых трех клетях чистовой группы, используется СТС подающая жидкий, минерального происхождения СМ на поверхность опорного валка со стороны выхода металла из клети.

Одним из существенных недостатков в работе СТС, является отсутствие взаимосвязи между количеством подаваемого СМ и свойствами прокатываемого материала. Вследствие чего, СТС эксплуатируется в ограниченном режиме, а снижение энергозатрат не существенно и составляет 3....6 %.

Анализ вышеперечисленных работ показал, что для схемы применения СТС в условиях НШСГП 2000 ОАО «ММК», отсутствуют методики позволяющие оценить влияние СМ на снижение энергозатрат в системе «полоса-валок-клеть кварто»; отсутствуют математические подходы для определения расхода СМ с учетом специфики производства и свойств прокатываемого материала.

Поэтому исследования, направленные на разработку математических моделей, описывающих взаимодействие в системе «полоса-валок-клеть кварто», с учетом особенностей существующей СТС для поиска рекомендаций

и определения расхода СМ, с целью снижения энергозатрат при прокатке, являются актуальными.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Для условий широкополосной горячей прокатки с применением СМ впервые предложена классификация прокатываемого металла по геометрическим и реологическим характеристикам, объединяющая сходный прокатываемый сортамент в группы энергоэффективности, позволяющая произвести оценку влияния данных свойств на потребление удельного расхода энергии.

2. Методика энергосилового расчета процесса горячей прокатки на НШСГП впервые дополнена коэффициентом влияния СМ (к1см). На основе регрессионного анализа установлены численные значения данного коэффициента в зависимости от групп энергоэффективности к!см = 2,17 ... 2,52.

3. Для определения эффективных режимов смазывания валков при широкополосной горячей прокатке, на основании методик Адамского С.Д., Грудева А.П., Килиевича А.Ф, уточнено уравнение баланса расхода СМ, отличающееся тем, что учитываются конструктивные особенностей СТС, и свойства прокатываемого материала на основе предложенных групп энергоэффективности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

1. Определены эффективные режимы смазывания валков для каждой из предложенных групп энергоэффектиености, в зависимости от технологических параметров горячей прокатки на широкополосном стане,

2. Разработан алгоритм, позволяющий произвести интеграцию СТС с АСУ ТП стана, для оперативной корректировки расхода СМ в зависимости от групп энергоэффектиености.

3. Разработан ряд программных продуктов по определению количества СМ в зависимости от технологических параметров горячей прокатки на

широкополосном стане и групп энергоэффективности. Программы для ЭВМ защищены свидетельствами о Государственной регистрации. 4. Предложенные мероприятия рекомендованы к использованию на НШСГП 2000 ОАО «ММК», на что получены соответствующие акты.

Совершенствование существующих математических моделей по определению расхода СМ при горячей прокатке, позволит снизить токовые нагрузки на двигатель главного привода и уменьшить удельный расход энергии при прокатке в среднем на 5...9%.

Внедрение разработок на НШСГП 2000 в ЛПЦ №10 ОАО «ММК» позволит сэкономить порядка 1889 тыс. рублей в год.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

По результатам теоретических исследований разработана математическая модель, позволяющая определять режимы подачи СМ в межвалковый зазор клети системы кварто на НШСГП.

Разработанные мероприятия приняты к изменению существующих подходов в определении расхода СМ в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» на НШСГП 2000.

АПРОБАЦИЯ:

Основные положения работы представлены: на 67 - 69 межрегиональных научно - технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова» 2009 — 2011г., конференции молодых специалистов ОАО «ММК» 2009 - 2011г., VI-ой международной научно - практической конференции «Интеллект молодых - производству» Украина, Новокраматорск 2010г., Четвертом международном промышленном форуме, Челябинск 2011, VIII-OM международном конгрессе прокатчиков, Магнитогорск 2010г., XVII -ой Петербургской технической ярмарке «Высокие технологии. Инновации.

Инвестиции. Н1 Тес 2012», Санкт-Петербург 2012г. (с присуждением диплома П-ой степени и диплома за лучший исследовательский проект), ХУ-ом Московском международном Салоне изобретений «Архимед», Москва 2012г.

ПУБЛИКАЦИИ: По теме работы опубликовано 12 печатных работ в научно - технических изданиях, 5 из которых, рекомендованы ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 161 страницу машинописного текста, в том числе 55 рисунков, 20 таблиц, 4 приложения. Объем библиографии составляет 122 наименования.

1. Анализ известных способов повышения энергоэффективности широкополосной горячей прокатки. Роль смазочного материала в технологии производства горячего проката.

1-1- Технология и оборудование, современное состояние и перспективные

направления проиесса горячей прокатки.

В настоящее время основное количество полосового горячего проката производится на широкополосовых станах горячей прокатки [7-11].

Общепринято деление ШСГП на поколения. Сначала их было три (такое деление предложил А. Ледерер), а позже их число было доведено Дж. Эйленом до пяти. Причем к пятому поколению ШСГП отнесены литейно-прокатные модули (ЛПМ). Авторами [12] станы бесконечной прокатки отнесены к пятому поколению ШСГП.

С момента создания первых ШСГП прошло 90 лет. На протяжении всего времени основными направлениями в их развитии являлось обеспечение и удовлетворение запросов потребителей для устойчивого экономического и технологического роста всех отраслей народного хозяйства государства в целом.

После появления первых ШСГП обоснованным стал растущий спрос на листовую продукцию в связи с расширением и освоением новых видов товаров и услуг. Данный факт послужил отправной точкой на пути к увеличению производительности ШСГП, стремлению к расширению сортамента прокатываемых полос по толщине как в сторону максимальных, так и в сторону минимальных значений, повышению эффективности процесса горячей прокатки путем совершенствования исполнительных механизмов, технологии процесса и т.д. [12-14].

Следует согласиться с автором обзора [15] в том, что в настоящее время даже современные ШСГП с известными достоинствами (высокая производительность, широкий сортамент проката по маркам стали и размерам, высокая

точность и механический свойства полос непосредственно после прокатки) сохраняют недостатки. Рабочие клети рассчитаны на прокатку широких полос из труднодеформируемой стали, поэтому более 93% машинного времени они работают со значительной недогрузкой. Но и при прокатке «мягких» сталей имеются серьезные технологические ограничения. Так, до захвата переднего конца полосы моталкой скорость прокатки не может превышать 12,5 м/с, но при такой скорости невозможно сохранить требуемую температуру прокатки полос толщиной менее 2 мм. Производительность ШСГП при прокатке полос менее 1,4 мм резко падает.

В работе [16] приведены следующие сведения (за 100% производительности) ШСГП (условно принята прокатка полос толщиной 4 мм):

Толщина прокатываемых полос, мм 4 3 2 1,5 1,1

Часовая производительность НШСГП, % 100 92 80 72 51

Основной для металлургии негативной мировой тенденцией является удорожание сырья, энергоносителей, транспорта, земли, стоимости оборудования. Это диктует необходимость снижения капиталовложений и эксплуатационных расходов, сырья, энергоресурсов и трудозатрат. Учитывая же, что в мире действует множество металлургических предприятий, мощность которых превышает потребность рынка в металлопродукции, то между ними имеет место жесткая конкуренция.

Одним из способов снижения энергосиловых характеристик является . использование в технологическом процессе прокатки СТС.

Начиная с 60-х годов XX века, данные системы начали широко внедряться в различные виды прокатного производства, где в большинстве случаев их использование было оправдано высокой эффективностью. Особенно стоит выделить опыт применения СТС при холодной прокатке.

1.2. Опыт применения смазочного материала в технолог�