автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии прокатки катанки с использованием адаптивных моделей

ОАО «Белорецкий металлургический комбинат»

На правах рукописи

ЕВТЕЕВ Евгений Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОКАТКИ КАТАНКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Тулупов О.Н.

Научный консультант:

кандидат технических наук Кулеша В.А.

Магнитогорск -1999

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................4

1. ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОКАТКИ КАТАНКИ НА СОВРЕМЕННОМ ПРОВОЛОЧНОМ СТАНЕ...................................................................................................................5

1.1 Анализ технологических проблем и их влияния на стабильность прокатки и качественные показатели катанки............................................5

1.2 Анализ применяемых научных методик и известных технологических решений.............................................................................11

1.3 Структура исследований и задачи диссертационной работы..........17

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНОЙ МОДЕЛИ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ НА ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ПРОВОЛОЧНОМ СТАНЕ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ И ПОВЫШЕНИЯ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ.............................................................................20

2.1 Разработка теоретической модели температурного режима прокатки на современных высокоскоростных станах.............................20

2.2 Теоретический анализ теплообменных процессов при прокатке на стане 150 БМК..........................................................,,......................................26

2.3 Исследование влияния условий высокоскоростной деформации в чистовых блоках на сопротивление деформации......................................34

2.4 Исследование энергосиловых параметров прокатки при различных температурно-скоростных режимах прокатки на стане 150.....................51

2.5 Оценка энергозатрат при нагреве и прокатке на стане 15 0 и . разработка технологии производства катанки с пониженными

температурами нагрева заготовок...............................................................66

Выводы по главе 2...........................................................................................75

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ ЧИСТОВОГО БЛОКА С УЧЕТОМ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ МЕЖДУ КЛЕТЯМИ..........................................................................................................78

3.1 Разработка методики расчета натяжений при прокатке в чистовом блоке..................................................................................................................78

3.2 Расчетный и экспериментальный анализ межклетевых усилий при прокатке в чистовых блоках..........................................................................85

3.3 Разработка методики расчета калибровки валков блока с учетом продольных усилий в раскате между клетями............................................89

3.4 Рационализация настройки валков и определение рациональных конструктивных параметров чистового блока...........................................92

Выводы по главе з............................................................................................95

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНОЙ МЕТОДИКИ СТАБИЛИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПРОФИЛЯ В НЕПРЕРЫВНЫХ ГРУППАХ КЛЕТЕЙ.........................................................97

4.1 Адаптация структурно-матричной модели формоизменения к условиям промежуточных групп стана 150................................................97

4.2 Исследование формоизменения подката перед блоком и закономерностей настройки калибров промежуточных групп..............103

4.2.1 Исследование износа калибров промежуточных групп стана 150 и его влияния на ширину подката перед блоком............................................103

4.2.2 Исследование влияния диаметров валков на ширину раската в непрерывных группах....................................................................................110

4.2.3 Исследование влияния марки стали на ширину подката перед блоком...........................................................................................................114

4.3 Разработка и исследование методов стабилизации размеров по

длине подката перед блоком путем регулирования натяжений и зазоров ........................................................................................119

4.3.1 Оценка характераразноширинности подката перед чистовым блоком по длине............................................................................................120

4.3.2 Разработка и исследование рациональных скоростных режимов для устранения разноширинности....................................................................126

4.3.3 Исследование влияния настройки калибров непрерывных промежуточных групп на ширину подката перед блоком........................137

4.3.4 Разработка метода дифференцированной настройки калибров промежуточной группы по длине раската.................................................142

Выводыпоглаве4. ........................................................................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................147

Список использованных источников.......................................................149

Введение

Стабильная потребность мирового и внутреннего рынка в катанке определяет развитие технологии производства этого вида проката. Отечественные производители катанки, в частности, Белорецкий металлургический комбинат с проволочным станом 150, вынуждены интенсивно вырабатывать и реализо-вывать решения по модернизации технологии и обеспечению высокого и стабильного качества катанки и рационального использования энергоресурсов.

Современные проволочные станы являются сложными высокотехнологичными объектами, требующими жесткого соблюдения режимов и высокой степени управляемости основными технологическими факторами

Вместе с тем, технология производства катанки имеет ряд плохо изученных особенностей, отличающих ее от традиционных процессов прокатного производства и влияющих на качественные показатели проката. В сложившихся условиях актуальна задача изучения и совершенствования технологии прокатки на проволочных станах путем применения (адаптации) известных научных методов и математических моделей к условиям и требованиям высокоскоростной и высокоточной прокатки катанки.

Данная работа направлена на анализ и комплексное решение основных технологических проблем современного проволочного стана на примере стана 150 ОАО «Белорецкий металлургический комбинат».

В первой главе проведен краткий анализ основных технологических проблем проволочных станов и рассмотрены пути их решения. Вторая глава посвящена исследованию особенностей температурно-скоростного режима прокатки на проволочном стане с целью выработки рациональных по энергозатратам и качеству технологических режимов прокатки. В третьей главе рассмотрены вопросы рационализации параметров калибровки чистового проволочного блока с целью снижения продольных усилий и обеспечения высокоточной чистовой прокатки. В четвертой главе исследованы особенности настройки непрерывных промежуточных групп с целью выработки рациональных режимов настройки и обеспечения стабильных размеров подката перед блоком.

1 Проблемы совершенствования технологии прокатки катанки на современном проволочном стане

1.1 Анализ технологических проблем и их влияния на

стабильность прокатки и качественные показатели катанки

Развитие и совершенствование технологии производства катанки предусматривает улучшение качественных показателей готовой продукции при одновременном увеличении стабильности основных технологических показателей процесса, согласно [1, 2, 3] это предусматривает следующее:

• обеспечение устойчивой работы оборудования при высоких скоростях прокатки и рациональной загрузке стана;

• увеличение точности геометрических размеров катанки до +/-0,15... 0,2 мм при овальности катанки не более 0,2 мм;

• увеличение массы бунтов до 2 тонн;

• снижение количества окалины до 2-3 кг/т на канатных и 7-8 кг/т на низкоуглеродистых сталях;

• уменьшение глубины обезуглероженного слоя до значений менее

1,5%;

• стабилизация геометрических размеров, структуры и механических свойств катанки по длине бунта и в партии проката;

• возможность быстрой перенастройки технологии при производстве катанки различного диаметра из сталей различных марок;

• снижение эксплуатационных расходов при снижении численности персонала и повышении производительности труда;

• автоматизацию расчета и контроля технологических режимов;

• возможность эффективного внедрения передовых технологических решений на различных проволочных станах при минимальных затратах средств и времени.

Проблемы, возникающие при производстве катанки на современных проволочных станах во многом определяются неижеперечисленными конструктивными и технологическими особенностями этих станов:

• существенная протяженность технологической линии стана;

• компоновка прокатного оборудования в виде нескольких непрерывных групп клетей с индивидуальным приводом;

• наличие чистового блока для высокоскоростной прокатки.

• большие суммарные степени деформации при производстве готового профиля диаметром 5,5... 10 мм из заготовки сечением более 100x100мм;

• большая разница между скоростями прокатки в черновых (0,2... 1,3 м/с) и чистовых (до 100 м/с и более) проходах;

Приведем краткую классификацию и анализ технологических особенностей и основных проблем прокатки катанки на высокоскоростных проволочных станах типа стана 150 Белорецкого металлургического завода (рис. 1.1), на решение которых направлена диссертационная работа.

Проблемы обеспечения рациональных температурно-скоростных режимов прокатки обусловлены, с одной стороны, требованием улучшить качество поверхности катанки путем снижения окалинообразования и получения прогнозируемых механических свойств, а с другой стороны, необходимостью уменьшения и рационального распределения энергозатрат на нагрев заготовки и последующей прокатке профиля в непрерывных группах и чистовом блоке.

При освоении и эксплуатации проволочных станов 150 Череповецкого и Белорецкого металлургических комбинатов были выявлены схожие проблемы, связанные с температурно-скоростным режимом прокатки [2]. Так при прокатке в обжимной и черновой группах стана 150 БМК из-за низких скоростей и большой длины стана наблюдалось значительное снижение температуры раската (до 150°С в обжимной и до 60°С в черновой группах). В первой и

второй промежуточных группах температура возрастает на 20-40°С при прокатке канатных, конструкционных и других сталей и на 35-60°С при прокатке коррозионностойких сталей. В чистовом блоке повышение температуры составляет 10-20°С, что приводит к неравномерной загрузке оборудования и не позволяет эффективно контролировать температуру конца прокатки. Кроме этого, на температурно-скоростной режим накладываются эффекты неравномерного распределения температуры по длине раската (температурный клин) [4] и по сечению [5], влияние которых трудно прогнозировать при высокоскоростной прокатке.

СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРОКАТНОГО ЦЕХА ¿6 2

Рис. 1.1. Проволочный стан 150 БМК

1- зачистные станки; 2- загрузочные шлепера; 3- подводящий рольганг; 4- сталкиватель браков заготовки; 5- рольганговые весы; 6- накл. подъемник; 7- печной рольганг; 8- толкатель; 9- печь с шагающим подом; 10- выталкиватель; 11- вытаскиватель; 12- гидросбив; 13-предстановый рольганг; 14- обжимной стан 630; 15- термофрезерные станки; 16- рольганг; 17- маятниковые ножницы; 18- стрелка; 19- подогревательная печь с роликовым подом; 20-разрывные ножницы; 21- черновая группа стана; 22- кривошипно-рычажные ножницы; 23-первая средняя группа стана 150; 24- кривошипные ножницы; 25- вторая средняя группа стана 150; 26- водяные охладители; 27- дисковые ножницы; 28- кривошипные ножницы; 29- скрапные барабанные ножницы; 30- петлерегулятор; 31- разрывные ножницы; 32- 10-ти клетевой чистовой блок стана 150; 33- измеритель толщины; 34- дефектоскоп; 35- водяное охлаждение; 36- дисковые ножницы; 37- дисковые ножницы; 38- скрапные ножницы; 39-трабаппарат; 40- виткообразователь; 41- транспортер с воздушным охлаждением; 42- вит-косборник; 43- делительные ножницы; 44- транспортер; 45- весы; 46- пресс и вязальные машины; 47- опрокидыватель; 48- транспортер поддонов; 49- тележка для съема бунтов; 50- повторное устройство; 51- цепной транспортер; 52- поворотное устройство; 53- пластинчатый транспортер; 2а- кантователь заготовок; 13а- кантователь заготовок; 24а- петле-образователь;

Исходя из этого, актуальна проблема выбора рационального темпера-турно-скоростного режима, которая сводится к необходимости прогнозировать температуру прокатки во всех клетях стана, в особенности, температуру конца прокатки и обеспечивать достаточно широкий ее диапазон 700-1000°С для различных программ прокатки при соблюдении условий рациональной загрузки оборудования и экономии энергоресурсов.

К второй группе следует отнести проблемы обеспечения точности геометрических размеров катанки. При этом ряд исследований [6, 7, 8] показывают целесообразность рассмотрения как точности чистовой прокатки катанки, так и точности прокатки подката перед чистовым блоком.

Проблема точности чистовой прокатки связана с конструктивными особенностями и эффективностью использования чистовых проволочных блоков клетей. Известные конструкции проволочных блоков фирм SCHLOEMANN-SIEMAG, KOKS, DANIELI, MORGAN и SKET [1,2] объединяет использование группового привода клетей. Так блоки фирмы SKET, один из которых применен на стане 150 БМК, обычно состоят из распределенного редуктора, валковых головок и консольно закрепленных валков диаметром 170 мм; оси валков попеременно наклонены под углом 45°к горизонтальной плоскости [1,9].

Практика эксплуатации стана 150 БМК показывает, что в условиях изменяющихся технологических параметров прокатки групповой привод с жесткой кинематической связью, рассчитанной на прокатку с небольшими натяжениями, ведет к возникновению продольных усилий между клетями блока, неравномерной их загрузке и снижению точности и стабильности чистовой прокатки.

Так, согласно [2], является недопустимым продольное сжатие полосы между клетями чистового блока, ведущее к неконтролируемому петлеобразованию и аварийной остановке блока. Высокий уровень натяжений негативно влияет на качество поверхности готовой катанки и устойчивость полосы от

сваливания в калибрах, вызывает образование переполненных концевых участков раската и нестабильную работу чистового блока.

Таким образом, определение рациональных технологических режимов прокатки в чистовом блоке, компенсирующих негативные воздействия на точность профиля и стабильность чистовой прокатки является актуальной задачей.

Проблема точности и стабильности размеров подката перед чистовым блоком должна быть рассмотрена отдельно, поскольку даже при обеспечении рациональных параметров прокатки в блоке точность готовой катанки существенно зависит от геометрических размеров сечения подката, сформированного в промежуточных группах клетей.

Имеющиеся в настоящее время конструктивные решения по стабилизации точности размеров подката ограничиваются жесткими рамками соблюдения технологии и высокими требованиями к постоянству технических характеристик основного и вспомогательного оборудования [10, 11].

Для условий стана 150 БМК вышеописанные методы повышения точности прокатки в промежуточных группах мало применимы. Практика показывает, что при меняющихся технологических параметрах процесса (температура прокатки и марочный сортамент сталей, износ калибров, переточки валков) и различных программах прокатки наиболее приемлемым способами повышения точности подката перед блоком являются регулирование скоростей прокатки с созданием определенных межклетевых натяжений и текущая настройка зазоров в калибрах промежуточных групп.

Однако, регулирование скоростного режима и настройка калибров осуществляются конкретными операторами интуитивно, исходя из личного опыта работы на стане. Аналогичная практика существует и на других станах [1, 12]. Поэтому, актуальной является проблема соблюдения точности прокатки в промежуточных группах клетей связанная с отсутствием единых обоснован-

ных и универсальных принципов и способов настройки непрерывных групп в различных технологических ситуациях.

Следует отдельно отметить проблему обеспечения стабильности геометрических размеров сечения раската по длине, характерную для всех непрерывных проволочных станов [4, 13].

Нестабильность геометрических размеров сечения и механических свойств металла как по длине отдельной, так и для различных заготовок, неизбежны. Поэтому, прокатку катанки в черновых и промежуточных группах осуществляют со значительными величинами межклетевых натяжений, которые хотя и приводят к существенной нестабильности формоизменения по длине раската, но обеспечивают безаварийное протекание процесса прокатки.

Нестабильность размеров, приобретенная профилем в черновых и подготовительных проходах, полностью не снимается в чистовых клетях и «по наследству» переходит на готовый профиль, проявляясь в отклонениях от предельно допустимых значений, регламентируемых стандартами.

Возникающая неравномерность натяжений приводит к избыточном�