Донбаська державна машинобудівна академія

КОКОТЬКО МИХАЙЛО ЄВГЕНОВИЧ

УДК 621.771.01: 621.771.061: 621.771.23

УДОСКОНАЛЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ РОБОТИ ТА КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ МЕХАНІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ СТАНІВ ДЛЯ ХОЛОДНОЇ ПОЛИСТОВОЇ ПРОКАТКИ

Спеціальність 05.03.05

"Процеси та машини обробки тиском"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Краматорськ – 2002

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Федорінов Володимир Анатолійович,

професор кафедри "Автоматизовані металургійні машини та обладнання", проректор з наукової роботи Донбаської державної машинобудівної академії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Саф'ян Олександр Матвійович,

Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної Академії наук України, м. Дніпропетровськ, голова відділу проблем прокатки листа;

кандидат технічних наук, професор

Луценко Віктор Олександрович,

Донбаський гірничо - металургійний інститут Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ, завідуючий кафедрою "Обробки металів тиском та матеріалознавство".

Провідна установа: Донецький національний технічний університет України

Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Захист відбудеться " 23 " січня 2003 р. о 1200 годин на засіданні спеціалізованого вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій в Донбаський державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

З дисертацією можливо ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

Автореферат розіслано 20 грудня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 12.105.01, д.т.н., доцент О.В. Сатонін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розвиток чорної та кольорової металургії, яка є однією з головних галузей промислового комплексу України, тісно пов'язаний з необхідністю розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості готового металопрокату і, як наслідок, з підвищенням його конкурентоспроможності на внутрішньому та зовнішньому ринках. Вирішення вказаних задач, нарівні з існуючими у цьому випадку додатковими витратами матеріальних ресурсів, свідчать про доцільність проведення подальших досліджень, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників як усього листопрокатного переділу, так і його окремих складових, яким, зокрема, є процес холодної полистової прокатки.

Актуальність теми. Більшу частину холоднокатаних стрічок, листів і штаб в теперішній час виробляють на безперервних або реверсивних станах, реалізуючих процес порулонної прокатки. Разом з тим, по відношенню до рідких і гостродефіцитних матеріалів, об'єм виробництва яких не дозволяє сформувати рулонну заготівку, єдино можливим є полистовий засіб холодної прокатки. Використання даної технологічної схеми, що характеризується максимальною конструктивною простотою, виявляється ефективним ще в цілому ряді випадків, зокрема, при розширенні сортаменту по ширині та зниженні ступеню анізотропії холоднокатаних листів за рахунок прокатки з виверсткою, при виробництві профільованих по довжині заготівок, а також при забезпеченні можливості вторинного використання листового металобрухту та відходів, виключивши необхідність їх переплавляти.

Умови реалізації процесу холодної полистової прокатки характеризуються наявністю різних конструктивних схем, серед яких, крім традиційних двох та чотиривалкових, слід виділити процес прокатки на плиті та процес прокатки у попередньо напружених робочих клітях. Зазначена різноманітність нарівні з специфікою механізмів формування напружено - деформованого стану та головних показників якості саме при полистовій прокатці вимагають подальшого розвитку відповідних методів розрахунку з подальшим рішенням на їх основі задач по удосконалюванню та автоматизованому проектуванню технологій та обладнання даного процесу. Не менш важливим у цьому випадку є забезпечення комплексного підходу при кількісній оцінці усіх причинно - наслідкових зв'язків, а також розширення об'ємів та підвищення ступеню достовірності запропонованої інформації за рахунок використання сучасних чисельних методів аналізу.

Таким чином, актуальність теми роботи та її практична спрямованість визначаються необхідністю підвищення техніко - економічних показників і розширення сфери використання процесу холодної полистової прокатки, які здійснюються на основі підвищення ступеню наукової обгрунтованості приймаємих технічних рішень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямку "Створення нових та удосконалення діючих технологій, обладнання і засобів автоматизації в прокатному виробництві" однієї з ведучих наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (прикази № від 15.03.96, № 37 від 13.02.97, № від 28.12.98, № від 30.10.2000, № від 23.11.2000, роботи № U015979, 0197U001595, 0199U001457, 0101U001747), а також у рамках госпдоговорних науково-дослідних робіт з АТ "НКМЗ", ВАТ "СКМЗ" та УкрНДІметалургмаш (роботи №0195U026562, 0197U014461, 0197U015740, 0198U005386, 0100U001091).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є економія матеріальних ресурсів, розширення сортаменту та підвищення якості холоднокатаних листів на основі розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробки рекомендацій щодо удосконалювання технологій та обладнання процесу холодної полистової прокатки.

Для досягнення вказаної мети у роботі були поставлені та вирішені наступні головні задачі:– 

уточнити та розширити чисельні математичні моделі напружено - деформованого стану і ступеню використання запасу пластичності, які мають місце при різних умовах реалізації процесу холодної полистової прокатки;– 

уточнити інженерні та розробити чисельні математичні моделі точності геометричних характеристик і степені стабільності механічних властивостей холоднокатаних листів, які були набуті при полистовій прокатці у робочих валках, на плиті та у попередньо напружених робочих клітях;– 

дати експериментальну оцінку ступеню достовірності одержаних теоретичних рішень та уточнити початкові данні, необхідні для їх чисельної реалізації;– 

проаналізувати вплив, сформувати критеріально та вирішити задачі щодо удосконалювання і автоматизованого проектування технологічних режимів та конструктивних параметрів механічного обладнання станів холодної полистової прокатки;– 

розробити та дослідити технічні рішення і практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників та економію матеріальних ресурсів при реконструкції діючих і розробці нових технологій та обладнання процесу холодної полистової прокатки.

Об'єкт дослідження. Технологічні режими та механічне обладнання процесу холодної полистової прокатки.

Предмет дослідження. Головні закономірності та методи розрахунку механізму формування напружено-деформованого стану і головних показників якості при холодній прокатці листів різного призначення.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пружності та пластичності, включаючи інженерні та чисельні підходи, методи теорії імовірності і математичної статистики, методи теорії дослідження операцій, включаючи імітаційне математичне моделювання та рішення задач оптимізаційного плану, а також проектно-конструкторська розробка запропонованих технічних рішень.

Експериментальні методи дослідження містили в собі фізичне моделювання у лабораторних та промислових умовах, методи тензометрії, заміри геометричних параметрів та механічних властивостей, а також оцінку площинності, форми, якості поверхні та інших споживчих характеристик холоднокатаних листів.

Наукова новизна отриманних результатів. Наукову новизну дисертації складають наступні основні результати і положення:– 

уточнені методи розрахунку енергосилових параметрів процесу холодної прокатки відносно товстих листів, які забезпечують можливість урахування реального характеру інтенсивності деформаційного зміцнення і дозволяють прогнозувати можливість появи внутрішніх мікро та макродефектів суцільності готового металопрокату;– 

розроблені чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану металу та ступеню використання його запасу пластичності при холодній прокатці відносно тонких листів, які основані на рекурентному рішенні кінцево-різницевої форми умови балансу енергетичних витрат, розглянутих у рамках виділеного елементарного об'єму осередку деформації, і дозволяють коректно врахувати реальні розподілення геометричних параметрів, механічних властивостей та умов контактного тертя при одночасному забезпеченні можливостей урахування немонотонного характеру пластичного формозмінення;– 

одержали розвиток інженерні і вперше були розроблені чисельні методи розрахунку напружень, деформацій та основних показників якості щодо реалізації процесу холодної полистової прокатки на плоскопаралельній та профільованій плиті;– 

уточнені інженерні і розроблені чисельні математичні моделі точності геометричних характеристик та ступеню стабільності результуючих механічних властивостей при холодній прокатці листів у попередньо напружених робочих клітях різноманітної конструкції;– 

розширені та уточнені кількісно уявлення про характер впливу технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного обладнання станів холодної полистової прокатки, сформульовані та вирішені задачі щодо їх автоматизованого проектування;– 

розроблені та апробовані практичні рекомендації, які спрямовані на розширення сортаменту та підвищення якості холоднокатаних листів при одночасній економії матеріальних ресурсів, необхідних для реконструкції діючого та створення нового механічного обладнання станів холодної полистової прокатки.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення дисертаційної роботи складають наступні її основні результати:– 

комплекс математичних моделей та програмних засобів по автоматизованому розрахунку та прогнозуванню напружено – деформованого стану, ступеню використання запасу пластичності, точності геометричних характеристик, а також рівню і ступеню стабільності результуючих механічних властивостей при реалізації різних технологічних схем процесу холодної полистової прокатки;– 

програмні засоби по автоматизованому проектуванню технологічних режимів та конструктивних параметрів, що забезпечують зниження трудомісткості проектних робіт при одночасному підвищенні ступеню наукової обґрунтованості технічних рішень, що приймаються у рамках реконструкції діючого, а також створення та промислового освоєння нового механічного обладнання станів холодної полистової прокатки;– 

технологічні та конструктивні рішення, а також практичні рекомендації, що спрямовані на підвищення техніко – економічних показників процесу промислового виробництва холоднокатаних листів різноманітного призначення.

Результати роботи у вигляді програмних продуктів, практичних рекомендацій та конкретних технічних рішень використані на АТ "Новокраматорський машинобудівний завод", ВАТ "Старокраматорський машинобудівний завод", ВАТ "Завод технологічного та спеціального обладнання", а також в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування і в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА).

Окремі положення дисертації використовуються на кафедрі "Автоматизовані металургійні машини та обладнання" ДДМА у рамках викладання ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні курсових та дипломних проектів студентами спеціальності 8.090218 "Металургійне обладнання".

Особистий вклад здобувача. Автор самостійно виконав теоретичні дослідження та проектно-конструкторську проробку, що складають основу дисертаційної роботи, прийняв участь у проведенні експериментальних досліджень і у промисловому впровадженні отриманих результатів. Розробив практичні рекомендації, спрямовані на удосконалювання технологій та обладнання процесу холодної полистової прокатки. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належить розробка математичних моделей, їх програмування та численна реалізація, а також обробка результатів теоретичних та експериментальних досліджень з формулюванням висновків та основних положень.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені та обговорені на міжвузівській науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів "Проблеми техніки, технології та економіки машинобудівного виробництва" (м. Краматорськ, 1996); на міжнародній конференції "Металургійне, прокатне і ковальське обладнання АТ "НКМЗ". Перспективи розвитку (м. Краматорськ, 1997); на науково-технічній конференції "Проблеми розвитку наукомістких і маловідходних процесів обробки металів тиском" (м. Краматорськ, 1997); на науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів "Перспективні технології та обладнання обробки металів тиском" (м. Краматорськ, 1997); на Всеукраїнській науково-технічній конференції "Удосконалювання процесів і обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні" (м. Краматорськ, 1998); на науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів "Перспективи розвитку крупних машинобудівних підприємств – обладнання, технології, організація виробництва" (м. Краматорськ, 1998); на Всеукраїнських науково-технічних конференціях "Перспективні технології та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні" (м. Краматорськ, 1999, 2000, 2001, 2002; м. Краматорськ–Слов'янськ, 2000; м. Краматорськ-Хмельницький, 2002); на науково - технічних радах ВАТНКМЗ" і УкрНДІМеталургмаша; на науково - технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (м. Краматорськ, 1997-2002); на розширеному науковому семінарі кафедри АММ ДДМА (м. Краматорськ, 2002).

Публікації. Матеріали та основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 8 статтях по науковій тематиці, із них сім у шести спеціалізованих виданнях.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи 303 сторінки, в тому числі 149 сторінок основного тексту, 85 малюнків на 85 сторінках, 1 таблиця на 1 сторінці, список використаних джерел із 235 найменувань 7 додатків на 68 сторінках.

ОСНОВНий зміст РоБОТи

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, показано зв'язок роботи з науковими програмами, темами, сформульовані мета і задачі дослідження. Був відзначений особистий внесок здобувача, дана характеристика наукової новизни і практичного значення одержаних результатів, а також їхньої апробації і промислового використання.

Технологічні режими, методи розрахунку, склад і конструктивні особливості

механічного обладнання станів холодної полистової прокатки (стан питання).

Рівень розвитку технологій та обладнання процесу холодної полистової прокатки, продукція якого досить широкого використовується у самих різних галузях промисловості, в значній мірі визначається наявністю теоретичних основ, у створенні і у подальшому розвитку яких значний внесок зробили Андрєюк Л.В., Бєлосевич В.К, Бровман М.Я., Васильов Я.Д., Видрін В.Н., Горелік В.С., Гребенік В.М., Грішков О.І., Грудєв О.П., Долженков Ф.Є., Желєзнов Ю.Д., Зільберг Ю.В., Капланов В.І., Кліменко В.М., Когос А.М., Коновалов Ю.В., Корольов А.А., Коцарь С.Л., Кузнєцов Л.А., Луговськой В.М., Мазур В.Л., Меєрович І.М., Мелешко В.І., Ніколаєв В.О., Мінаєв О.М., Полухін П.І., Полухін В.П., Потапкін В.Ф., Рокотян Є.С., Рокотян С.Є., Руденко Є.А., Саф'ян М.М., Саф'ян О.М., Старченко Д.І., Третьяков А.В., Хіміч Г.Л., Хлопонин В.М., Целіков О.І., Чекмарьов О.П., а також ряд інших вчених.

Окрім технологічних особливостей, охоплюючи прокатку і відносно товстих, і відносно тонких листів, умови реалізації холодної полистової прокатки характеризуються різноманітністю конструктивних виконань, що включають різні валкові компоновки, прокатку на плоско паралельних або профільованих плитах, прокатку у попередньо напружених робочих клітях і т.д. При цьому, з точки зору кількісної оцінки напружено-деформованого стану металу при прокатці відносно товстих листів найбільше розповсюдження отримали метод ліній ковзання і метод верхньої оцінки, які дозволяють в повній мірі врахувати двомірний характер пластичного формозмінення металу. Аналогічна задача стосовно прокатки відносно тонких листів може бути вирішена з використанням чисельних підходів, припускаючи кінцево-різницеве уявлення основних компонент напруженого і деформованого стану, розглянутих в межах кожного окремо виділеного елементарного об'єму осередку деформації.

Поряд з локальними та інтегральними характеристиками напружено-деформованого стану математичному моделюванню підлягають і основні показники якості готового металопрокату, серед яких необхідно визначити точність геометричних параметрів одержаних листів по товщині та довжині, а також рівень і ступінь стабільності результуючих механічних властивостей. Надалі ці математичні моделі можуть бути використані для аналізу ступеню впливу і розробки рекомендацій для удосконалювання технологічних параметрів процесу холодної полистової прокатки, а також для вирішення задач автоматизованого проектування технологічних режимів обтиснень.

З точки зору перспектив розвитку механічного обладнання станів холодної полистової прокатки необхідно вказати на необхідність вибору раціональних значень радіусів робочих валків і відповідних їм компоновок валкового вузла. Доцільним в цьому випадку є також використання попередньо напружених конструкцій та механізмів зміни модуля жорсткості робочих клітей, забезпечення можливості прокатки на плиті, а також подальше удосконалювання окремих вузлів і механізмів, націлене на розширення технологічних можливостей і підвищення техніко-економічних показників.

Вибір напрямку і методів досліджень

Враховуючи перспективи розвитку технологій та обладнання процесів холодної полистововї прокатки у якості основного напрямку їх теоретичних і експериментальних досліджень повинна бути прийнята спрямованість до розширення сортаменту, підвищення якості та зниження собівартості готової продукції. При цьому в основу цих досліджень повинен бути покладений комплексний підхід, що припускає максимально повне охоплення як по можливим умовам реалізації процесів, які досліджуються, так і по об'єму представленої у цьому випадку інформації.

Теоретичні дослідження різних технологічних схем процесу холодної прокатки відносно товстих листів можуть бути проведені на основі чисельної інтерпретації методу верхньої оцінки і методу полів ліній ковзання, який дозволяє врахувати інтенсивність деформаційного зміцнення, а процесу холодної прокатки відносно тонких листів – на основі чисельного рекурентного рішення кінцево-різнецевої форми умови балансу енергетичних витрат в межах кожного виділеного елементарного об'єму осередку деформації, який забезпечує врахування реальних розподілів граничних умов і немонотонного характеру пластичного формозмінення металу. Чисельні підходи, які основані на методі передаточних коефіцієнтів, методі граничних оцінок і методі Монте-Карло в його імітаційній інтерпретації, можуть бути використані і для математичного моделювання основних показників якості холоднокатаних листів, а разом з тим, і для рішення задач по удосконалюванню та автоматизованому проектуванню відповідних технологій і обладнання.

Уточнення початкових передумов, оцінка ступеню вірогідності одержаних теоретичних рішень і апробація розроблених на їх основі практичних рекомендацій можуть бути виконані експериментально з використанням лабораторного і промислового обладнання, яке забезпечує, як і у випадку теоретичних досліджень, можливість аналізу різних технологічних схем процесу холодної полистової прокатки.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану металу і основних показників якості при холодній полистовій прокатці

Відповідно основних положень теорії продольної прокатки, теоретичне дослідження напружено-деформованого стану металу було проведено диференційовано стосовно до процесів холодної прокатки відносно товстих і відносно тонких листів.

В основу математичної моделі розрахунку енергосилових параметрів процесу холодної прокатки відносно товстих листів була покладена чисельна інтерпретація методу верхньої оцінки, що полягає в кількісному визначенні геометричних координат особливих точок кінематично можливих полів характеристик у фізичній площині та площині годографу швидкостей (мал. ).

Так, розглядаючи внаслідок симетрії лише верхню частину осередку деформації і виходячи з припущення про первісно відоме значення геометричної координати ХС по відношенню до геометричних координат інших особливих точок та кутових характеристик у фізичній площині (див. мал.1а) і площині годографу швидкостей (див. мал.1б) можна записати:

; (1)

; (2)

; (3)

, (4)

де - загальна довжина осередку деформації;

- кут нахилу хорди, яка апроксимує контактні поверхні робочих валків;

, - швидкості переміщення металу до і після прокатки.

З урахуванням (1)-(4) сумарну потужність зсуву , яка приведена до одиниці ширини листа який прокатується, визначали як:

, (5)

де , - значення опору зсуву металу до і після прокатки, що визначаються з урахуванням його зміцнення.

В якості останніх, відповідно варіаційним принципам, розглядали кінематично можливі поля характеристик, які відповідають мінімуму сумарної потужності зсуву , який визначають шляхом чисельного рішення однопараметричної задачі оптимізаційного плану з перемінними значенням геометричної координати (див. мал.1а). По мірі визначення , виходячи з умов рівності підведених та витрачаємих потужностей що підводяться, виконували розрахунок середньоінтегральних значень дотичних контактних напружень , а разом з тим, відповідно умові статичної рівноваги, вираховували і аналогічні значення нормальних контактних напружень . Одержані кількісні оцінки і використовували у подальшому для знаходження сили і моменту прокатки, при цьому ступінь уточнення, який забезпечується більш коректним урахуванням інтенсивності деформаційного зміцнення, склав 15% та більше.

Аналогічно, тобто з використанням чисельної інтерпретації методу верхньої оцінки, була вирішена і задача по кількісній оцінці імовірності появи внутрішніх дефектів суцільності. Безпосередню побудову кінематично можливих полів характеристик у цьому випадку виконували з урахуванням наявності у осьовій зоні дільниці потенційних руйнувань висотою (див. мал.1а), для якого напруження опору розриву металу заготовки, яка прокатується, менше, ніж на решті її дільниць. З урахуванням цього, визначення геометричних координат особливих точок и було дещо видозмінено, а вираз (5) вк

лючав додаткову складову , що характеризує потужність потенційного руйнування. Ітераційна процедура оптимізаційного рішення була, у цьому випадку, доповнена зовнішнім контуром по чисельному визначенню довжини , відповідній мінімуму сумарної потужності зсуву, а одержані при цьому випадку результати показали, що з відносним зменшенням напруження і зменшенням співвідношення довжини осередку деформації та середньої товщини , особливо у діапазоні , вірогідність виникнення внутрішніх дефектів зростає і зростає дуже істотно.

Мал.1 Розрахункові схеми кінематично можливих полів характеристик у фізичній площині (а) та площині годографу швидкостей (б), використані щодо математичного моделювання процесу холодної прокатки відносно товстих листів.

Задача по прогнозуванню дефектоутворень при холодній прокатці відносно товстих () листів була вирішена також і на основі методики В.Л. Колмогорова, тобто шляхом визначення коефіцієнтів немонотонності деформації, результуючої деформації зсуву і ступеню використання запасу пластичності. При цьому, крім методу верхньої оцінки це рішення було здійснено із використанням методу полів ліній ковзання шляхом чисельного ітераційного побудування і подальшого аналізу полів характеристик, які відповідали рівності нулю напруження переднього і заднього натяжінь.

Чисельне одномірне математичне моделювання напружено-деформованого стану металу при холодній прокатці відносно тонких () листів складалося з виконання алгоритмічної послідовності подальших окремих операцій:– 

розбивання усієї довжини зони пластичного формозмінення на кінцеве число елементарних об'ємів і кількісне визначення для кожного з них поточних значень товщини , подвійного опору зсуву , коефіцієнтів зовнішнього тертя , а також коефіцієнту немонотонності пластичного формозмінення ;– 

визначення на сонові чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умови балансу енергетичних витрат в межах кожного окремого -го виділеного елементарного об'єму поточних по довжині зони пластичної формозміни нормальних і касательних контактних, а також нормальних осьових напружень:

; (6)

; , (7)

де - крок розбивки зони пластичної формозміни, для якого цифровий індекс (1) свідчить про належність цієї компоненти початковому, а числовий індекс (2) – кінцевому граничним перетинам виділеного -го елементарного об'єму, при цьому, відповідно умов зв'язку використаної рекурентної схеми рішення і , напруження і є початково відомими;– 

розрахунок згідно відомим значенням геометричних параметрів зони пружистого відновлення листів, що прокатуються і визначення виходячи з умови статичної рівноваги даної зони розрахункових в межах здійснюваного циклу ітераційної процедури рішення значень напруження переднього натяжіння ;– 

організація ітераційної процедури по визначенню довжини зон випередження , які забезпечують, згідно специфіці умов реалізації процесу саме полистової прокатки, дорівнювання нулю розрахункових значень напруг переднього натягу ;– 

визначення інтегральних характеристик напруженого стану металу шляхом чисельного інтегрування розрахункових розподілів нормальних і дотичних контактних напружень;– 

організація інтегральної процедури по урахуванню пружності сплющування робочих валків;– 

визначення на основі чисельної інтерпретації методики В.А. Огороднікова поточних і результуючих показників ступеню використання запасу пластичності матеріалу холоднокатаних листів.

Одержані детерміновані математичні моделі напружено-деформованого стану, які були організовані на додаткове ітераційне рішення пружно-пластичної схеми "робоча кліть - лист", що припускає використання методу передаточних коефіцієнтів, методу граничних оцінок або імітаційної інтерпретації методу Монте-Карло, склали комплекс програмних засобів по автоматизованому розрахунку точності геометричних характеристик одержаних холоднокатаних листів, а також з автоматизованого розрахунку ступеню стабільності енергосилових параметрів і результуючих показників фізико-механічних властивостей.

Математичне моделювання процесів холодної полистової прокатки

на плиті і в попередньо напружених робочих клітях.

Розробка інженерних методів розрахунку напружень і пружних деформацій плит, які використовувались при холодній полистовій прокатці, була здійснена на основі різноманітних апроксимацій розрахункових розподілів нормальних контактних напружень по довжині зони пластичної формозміни. Оцінка ступеню імовірності, яка виконана з використанням методу кінцевих елементів, показала, що відносна помилка, яка була внесена наближеним описом граничних умов, може досягати 15...18%, при цьому найбільш точною є трапецеїдальна апроксимація.

З урахуванням організації одержаних чисельних математичних моделей напружено-деформованого стану металу на ітераційне рішення "робоча кліть - лист" розроблені алгоритм та програмні засоби по автоматизованому розрахунку процесів холодної полистової прокатки на профільованих плитах (мал. а) і у попередньо напружених робочих клітях (мал. б, в). Здійснено аналіз профілювань плит, які забезпечують потрібний поздовжній профіль готового металопрокату, виходячи з відомого продольного профілю вихідної заготовки. На прикладі стану 400/1200х1000 показана можливість однопрохідної прокатки латунних листів постійної товщини із заготовок, які одержані в межах різних конверсійних програм та мають різність товщин до 1.0...1.5 мм. Профілювання самої плити у цьому випадку може бути клиноподібної з плоскошліфованими поверхнями. Відрізнення свідчить про можливість використання даної технології (див.мал.2а) для утилізації та забезпечення повторного використання листових відходів та брухту із дорогоцінних і гостродефіцитних металів без їхнього переплавлення.

а) б) в)

Мал.2 Технологічні схеми процесів холодної полистової прокатки на плиті (а) і в попередньо напружених робочих клітях (б, в).

По відношенню до процесів холодної полистової прокатки у попередньо напружених робочих клітях встановлено, що з точки зору зниження результуючої різнотовщинності більш переважною є схема утворення сили попереднього напруження по буртам каліброваних робочих валків (див.мал.2в), яка забезпечує зниження у 2...3 рази ступеню впливу стохастичних варіацій початкових технологічних параметрів та величини попереднього міжвалкового зазору. Використання схеми попереднього напруження по подушках робочих валків (див.мал.2б) також знижує спадкоємну різнотовщинність, але в той же час не тільки не компенсує, а навіть збільшує вплив радіального биття основних елементів валкового вузлу, відзначене необхідно урахувати як при виборі самої схеми попереднього напруження, так і при її подальшій конструктивній деталізації.

Експериментальне дослідження енергосилових параметрів і основних

показників якості при холодній полистовій прокатці

На основі результатів досліджень розподілу нормальних и дотичних контактних напружень по довжині осередку деформації, проведених на спеціальній установці, яка моделює процес холодної полистової прокатки відносно тонких мідних заготовок у робочих валках великого радіусу (R=750 мм), тобто з (3...10) – кратним масштабом збільшення геометричних параметрів, підтверджено достатній ступінь вірогідності відповідних метаматичних моделей напружено-деформованого стану металу. Уточнено початкові передумови і, зокрема, було встановлено, що опорні значення ступеневого аналітичного описання поточних значень коефіцієнтів тертя для зони відставання на 5...15(%) вище ніж для зони випередження, а кількісна оцінка самого показника ступеню знаходиться у діапазоні 0.35...0.55.

Оцінка ступеню адекватності одержаних теоретичних рішень стосовно до всього діапазону можливих умов реалізації була проведена шляхом експериментального дослідження різних технологічних схем процесу холодної полистової прокатки мідних зразків з початковою товщиною 8.0; 4.0 і 2.0 (мм) на промислово-лабораторному стані з двовалковою 260х200 та чотиривалковою 105/260х250 компоновками валкового вузла. В результаті проведення вказаних експериментальних досліджень було встановлено наступне:– 

максимальний діапазон змінення середніх вибіркових значень відношення розрахункових і емпіричних значень сили і моменту прокатки знаходиться у діапазоні 0.983...1.018, а гранічні значення кількісних оцінок нижньої і верхньої границь довірних інтервалів зміни даного відношення відповідали 0.958 та 1.056;– 

умови реалізації процесу холодної полистової прокатки на профільованій плиті однієї і тієї ж конструкції (див.мал.2а) дозволяє одержати клиноподібних холоднокатані листи з перепадом кінцевої товщини ~ 1.0 мм на довжині 240 мм з початкових плоских заготовок і плоскі листи з клиноподібних заготовок з перепадом початкової товщини 0.9...1.1 мм;– 

розширення технологічних можливостей процесу холодної полистової прокатки на профільованих плитах може бути забезпечено за рахунок цілеспрямованого змінення ширини листів, що прокатують, а також за рахунок забезпечення можливості змінення модулю жорсткості робочих клітей листопрокатних станів

Результати експериментальних досліджень підтвердили також і достатній ступінь вірогідності математичних моделей точності результуючих геометричних параметрів при холодній полистовій прокатці в попередньо напружених робочих клітях. При цьому по відношенню до традиційної схеми прокатки мідних листів 1х60х200 використання попереднього напруження по подушках робочих валків (див.мал.2б) дозволило знизити результуючу різнотовщинність в ~ 1.7 рази, а використання попереднього напруження по буртам робочих валків (див.мал.2в) – в ~ 2.4 рази.

Автоматизоване проектування і розробка рекомендацій удосконалювання технологічних режимів та конструктивних параметрів механічного обладнання станів холодної полистової прокатки

Використаний на основі результатів чисельної реалізації отриманих математичних моделей і відповідних їм програмних засобів, аналіз впливу початкових технологічних параметрів та конструктивних виконань механічного обладнання процесу холодної полистової прокатки, дозволив встановити наступне:– 

зниження імовірності внутрішнього дефектоутворення та ступеню використання запасу пластичності листів при фіксованих значеннях їх початкової та кінцевої товщини може бути забезпечено за рахунок збільшення радіусів робочих валків і коефіцієнтів зовнішнього тертя, а також за рахунок збільшення одиничних обтиснень при одночасному зменшенні загальної кількості проходів, що є ефективним з даної точки зору, як і з точки зору покращення умов захвату, є використання процесу прокатки на плиті;– 

розширення технологічних можливостей та зниження експлуатаційних витрат при прокатці на профільованих плитах які можуть бути одержані за рахунок використання механізмів зміни модулю жорсткості робочої кліті і, як наслідок, за рахунок прокатки різних типорозмірів на плиті однієї і тієї ж конструкції;– 

зниженню спадкоємної складової результуючої різнотовщинності холоднокатаних листів, визначеної варіаціями початкових технологічних параметрів, сприяють зниження радіусів робочих валків та коефіцієнтів зовнішнього тертя, збільшення загальної кількості і перерозподіл обтиснень у бік перших проходів, а також збільшення приведеного до одиниці ширини модулю жорсткості та створення попереднього напруження робочої кліті (мал. ), одночасно з цим реалізація вказаних дій приводить до підвищення ступеню нестабільності кінцевої довжини та результуючих механічних властивостей, і має місце у цих випадках, за виключенням створення попереднього напруження по буртам робочих валків (див.мал. в), та підвищення ступеню негативного впливу розмаху стохастичного змінення величини попереднього міжвалкового зазору , обумовленого радіальним биттям робочих валків і похибок відпрацювання натискного механізму.

Виходячи з суперечного характеру впливу початкових технологічних та конструктивних параметрів сформульований загальний критерій оптимальності , що враховує за допомогою відповідних вагових коефіцієнтів кінцеву різнотовщинність, розмах зміни кінцевої довжини та результуючих механічних властивостей, ступінь використання запасу пластичності, а також величину додаткових витрат, пов'язаних з удосконалюванням технологій та обладнання процесу холодної прокатки. На основі даного критерію і з використанням одержаних математичних моделей в якості цільових функцій розроблено комплекс програмних засобів, які забезпечують рішення наступних основних задач:

Мал.3 Розрахункові розподіли кінцевої різнотовщинності при холодній прокатці листів зі срібла в попередньо напружених по буртах ( ), в попередньо напружених по подушках ( ? ) та в традиційних ( ) робочих валках.

( мм; мм; мм; ; мм; мм; Н/мм2; кН/мм) – 

вибір раціональних технологічних схем, які включають традиційну прокатку, прокатку на плиті та в попередньо напружених робочих клітях, а також їх можливі сполучення; – 

автоматизоване проектування технологічних режимів обтиснень виходячи з умов забезпечення мінімуму або з умов відповідності даної крітеріальної оцінки потрібному значенню при мінімальних додаткових витратах;– 

вибір раціональних значень радіусів робочих валків та призначення науково обгрунтованих вимог щодо точності їх обробки і монтажу; – 

оптимізація модулю жорсткості робочої кліті та автоматизований вибір основних конструктивних параметрів механічного обладнання листопрокатних станів, включаючи еханізми зміни модулю жорсткості, створення попереднього напруження.

З урахуванням узагальнення одержаних теоретичних та експериментальних результатів розроблено, досліджено та апробовано ряд технологічних і конструктивних рішень, які включають нові конструкції плит, станків для обробки вузла станин без демонтажу і т.д., спрямованих на розширення сортаменту і підвищення якості холоднокатаних листів з одночасним забезпеченням всілякої економії матеріальних ресурсів.

Висновки

В дисертації виконані нові науково-технічні розробки щодо розвитку методів автоматизованого розрахунку та проектуванню, а також по вдосконаленню технологій і обладнання процесу холодної полистової прокатки і рішенню на цій основі актуальних задач, що мають практичне значення, спрямованих на розширення сортаменту, підвищення якості і економію матеріальних ресурсів при виробництві холоднокатаних листів різноманітного призначення.

1. Аналіз стану питання в області технології та обладнання процесу холодної полистової прокатки показав, що їх подальший розвиток нерозривно зв'язаний з підвищенням ступеню наукової обґрунтованості технічних рішень, які здійснюються на основі уточнення та розширення математичних моделей напружено-деформованого стану і основних показників якості холоднокатаних листів, підвищення ступеню автоматизації проектно-конструкторських та проектно-технологічних робіт, а також на основі розробки, дослідження та промислового впровадження конкретних практичних рекомендацій.

2. З використанням чисельної інтерпретації методу верхньої оцінки та методу полів ліній ковзання одержали розвиток методи розрахунку напружено-деформованого стану і прогнозування імовірності внутрішнього дефектовиникнення при холодній прокатці відносно товстих листів. Стосовно щодо холодної прокатки відносно тонких листів аналогічні математичні моделі були отриманні на основі чисельно рекурентного рішення кінцево-різностної форми умов балансу енергетичних витрат у межах кожного окремого виділеного елементарного об'єму осередку деформації. Нарівні з урахуванням реальних розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей та умов контактного тертя реалізація даних підходів дозволила урахувати і немонотонний характер пластичної формозміни металу, при цьому ступінь уточнення склав 15% і більше.

3. Шляхом організації математичних моделей напружено-деформованого стану на чисельне ітераційне рішення пружно-пластичної системи "робоча кліть – лист" і з використанням методу передатних коефіцієнтів, методу граничних оцінок, а також методу Монте-Карло в його імітаційному додатку розроблено комплекс програмних засобів по автоматизованому розрахунку та прогнозуванню точності геометричних параметрів та ступеню стабільності механічних якостей готової металопродукції при холодній полистовій прокатці в робочих валках, на плиті та в попередньо напружених робочих клітях.

4. Достатній ступінь вірогідності одержаних математичних моделей підтверджено експериментально, при цьому середні вибіркові оцінки відношення розрахункових та емпіричних значень основних результуючих параметрів процесу холодної полистової прокатки містились в діапазоні 0,983-1,018, а граничні значення нижньої і верхньої меж довірних інтервалів змінення даного відношення отримані при довірній вірогідності 0,95, відповідали 0,9 та 1,0. Крім того, експериментально уточнені вихідні передумови, необхідні для кількісного опису розподілу коефіцієнтів зовнішнього тертя, а також підтверджена ефективність процесу холодної полистової прокатки на клині з точки зору поліпшення умов захвату, зниження поздовжньої кривизни, а також забезпечення виробництва профільованих по довжині листів та повторного використання різноманітних листових відходів та брухту без їх переплавки.

5. На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень виявлені раціональні діапазони використання різних технологічних схем процесу холодної полистової прокатки, встановлені та одержали кількісний опис наступні основні положення:– 

зменшення радіусів робочих валків та коефіцієнтів зовнішнього тертя, збільшення кількості проходів, а також підвищення модуля жорсткості робочої кліті та створення її попереднього напруження призводять до зниження спадкоємної складової результуючої різнотовщинності при одночасному підвищені розмаху стохастичного змінення кінцевої довжини та результуючих механічних властивостей отриманих холоднокатаних листів, збільшується у цьому випадку і ступінь негативного впливу радіального биття робочих валків;– 

використання процесу прокатки на плоскопаралельній або профільованій плиті дозволяє збільшити допустимі по умовам захвата значення абсолютних обтиснень у 1,8-2,0 рази, можливим у цьому випадку є виробництво профільованих листів з плоскої заготівки або плоских листів з профільованої заготівки з перепадом товщин до 0,8-1,5 мм, при цьому діапазон можливих профілів може бути розширений на 30% за рахунок додаткового використання механізму змінення модуля жорсткості робочої кліті;– 

створення попереднього напруження робочої кліті по подушках робочих валків дозволяє за інших рівних умов знизити різнотовщинність отриманих листів у 1,5...2,5 рази, а по буртам робочих каліброваних валків – у 2...4 рази, при цьому використання першої схеми є доцільним у перших, а другої – у наступних проходах, особливо при холодній прокатці відносно тонких листів.

6. З використанням узагальнених критеріїв оптимальності, які враховують додатково і розмах змінення кінцевої довжини, сформульовані і вирішені у вигляді програмних продуктів задачі по автоматизованому проектуванню технологічних режимів процесу холодної полистової прокатки, а також щодо вибору раціональних значень радіусів робочих валків та модулю жорсткості робочих клітей листопрокатних станів. Запропоновано, досліджено та апробовано ряд нових технічних рішень, які спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесу промислового виробництва холоднокатаних листів різноманітного призначення.

7. Стосовно умов реалізації різних технологічних схем процесу холодної полистової прокатки виконана реконструкція промислово-лабораторного стану 105/260х250 Донбаської державної машинобудівної академії, крім того, результати роботи у вигляді програмних продуктів, а також технологічних та конструктивних рекомендацій використані на АТ "Новокраматорський машинобудівний завод", на ВАТ "Старокраматорський машинобудівний завод", на АТ "Завод технологічного та спеціального обладнання" та в Українському науково-дослідницькому інституті металургійного машинобудування при реконструкції діючого та створенні нового листопрокатного обладнання.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Левкин А.Н., Кокотько М.Е., Добряк С.К. Точность геометрических характеристик при холодной прокатке листов и полос в предварительно напряженных рабочих клетях прокатных станов // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. научных трудов. – Краматорск: ДГМА. - 1998. - С.105-111.

2. Белобров Ю.Н., Промысловский В.Д., Кокотько М.Е. Повышение долговечности рабочих клетей прокатных станов на основе обработке станин на месте их эксплуатации. // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. - 2000. - С.306-309.

3. Экспериментальное исследование конструктивных параметров механического оборудования реверсивных станов холодной прокатки. / В.Г. Пашков, И.А. Морозов, С.К. Добряк, А.В. Герасименко, М.Е. Кокотько, М.В. Федоринов / Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ-Слов'янськ: ДДМА. - 2000. - С.110-113.

4. Математическое моделирование энергосиловых параметров при холодной прокатке относительно толстых листов и полос. / М.Я. Бровман, С.А. Шевцов, М.Е. Кокотько, А.А. СатонинУдосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ:ДДМА. - 2001. - С.492-498.

5. Реализация современных тенденций в области горячей прокатки алюминия при модернизации стана 2840 г.п. в г. Каменск-Уральском. / Ю.Н. Белобров, А.В. Барабаш, В.В. Бортник, М.Е. Кокотько / Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. - 2001. - С.485-491.

6. Кокотько М.Е., Добряк С.К., Федоринов М.В. Математическое моделирование геометрических, кинематических и энергосиловых параметров процесса холодной прокатки относительно тонких листов на профилированной плите. // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. –Краматорськ: ДДМА. - 2002. - С.447-451.

7. Дворжак А.И., Бегунов А.А., Кокотько М.Е. Двухмерный анализ напряжений и деформаций при полистовой прокатке и плющении асимметричных профилей. // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ-Хмельницкий: ДДМА. - 2002. - С.341-344.

8. Численное математическое моделирование точности геометрических характеристик при холодной прокатке листов и полос в предварительно-напряженных рабочих клетях прокатных станов. / В.Ф. Потапкин, В.А. Федоринов, А.В. Сатонин, А.Н. Левкин, М.Е. Кокотъко, С.К. Добряк; Донбас. Гос. Машиностроит. академия. - Краматорск, 1997. – 21 с. - Библиогр.: назв.-Рус.-Деп. в ГНТБ Украины.19.01:98, №57-Ук98.

Особистий внесок автора в працях, які опубліковані в співавторстві

[1, 8] – враховані математичні моделі, розроблені та реалізовані чисельно програмні засоби з автоматизованого розрахунку процесу холодної полистової прокатки в попередньо напружених по валкам робочих клітях

[2, 5] – науково обґрунтовано і конструктивно відпрацьовано технічні рішення, спрямовані на удосконалювання обладнання листових прокатних станів

[3] – розроблена методика та проведені експериментальні дослідження процесу холодної полистової прокатки

[4, 7] – уточнена та реалізована чисельно систематична модель