Донбаська державна машинобудівна академія

АЛЕКСАНДРОВ ІГОР ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 621.771.01: 621.771.23

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ І КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ ЧИСТОВИХ РОБОЧИХ КЛІТЕЙ ШИРОКОШТАБОВИХ СТАНІВ ГАРЯЧОЇ ПРОКАТКИ

Спеціальність

05.03.05 - Процеси і машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

диссертації на здобуття вченого ступеню
кандидата технічних наук

Краматорськ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА) Міністерства освіти і науки України (м. Краматорськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Алієв Іграмотдин Сєражутдинович,
завідувач кафедри “Обробка металів тиском”, Донбаська державна машинобудівна академія.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
Саф’ян Олександр Матвійович,., 1-й заступник голови правління – технічний директор ВАТ „Модуль” ( м. Кам’янець-Подільський).

кандидат технічних наук, професор
Луценко Віктор Олександрович, завідувач кафедри “Обробка металів тиском і металознавство” (Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України , м. Алчевськ)

.Провідна установа: Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Обробка металів тиском”

(м. Донецьк).

Захист відбудеться " 27 " грудня 2005 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .105.01 з захисту дисертацій в Донбаський державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

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

Автореферат розіслано " 25 " листопада 2005 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
Д 12.105.01, к.т.н., доцент Ю.К. Доброносов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Одним з основних напрямків розвитку прокатного виробництва є розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості готової металопродукції на основі удосконалення технологічних процесів і устаткування. В даний час Україна займає провідне місце серед світових виробників металопроката, але наявність фізично і морально застарілого устаткування в сполученні з загостренням конкуренції з боку як традиційних, так і нових виробників металургійної продукції вимагають вживання термінових заходів по відновленню даного сектора економіки. Усе це повною мірою відноситься до широкоштабових станів гарячої прокатки (ШСГП), що займають одне з провідних місць у прокатному виробництві.

Актуальність теми. Основними тенденціями світового виробництва гарячекатаного листового металопроката є підвищення його якості і розширення сортаменту за рахунок зниження кінцевої товщини гарячекатаних штаб у діапазон, що відповідає (0,8…1,4) мм. Такі штаби у порівнянні з холоднокатаними мають більш низьку собівартість і підвищену корозійну стійкість, що дозволяє ефективно використовувати їх у цілому ряді галузей промисловості. Виробництво гарячекатаних штаб зазначеного типорозміру пов'язано з необхідністю проведення досить дорогих заходів щодо розробки і промислового освоєння принципово нових технологій і устаткування, що в умовах обмеженого фінансування для вітчизняної економіки є проблематичним. Більш реальною в цьому випадку є організація таких виробництв на базі діючих ШСГП при мінімальних витратах на їхню реконструкцію.

Реалізація даного підходу вимагає прийняття науково обгрунтованих технічних рішень на основі результатів комплексних теоретичних і експериментальних досліджень основних закономірностей механізму формування напружено-деформованого стану й основних показників якості особливо тонких штаб при їхній гарячій прокатці. Важливим у цьому випадку є і розвиток методів розрахунку механічного устаткування робочих клітей ШСГП з метою повного використання його технологічних можливостей з погляду характеристик міцності, а також потужностей головних приводів.

З урахуванням викладеного вище подальший розвиток методів автоматизованого розрахунку і проектування технологічних режимів і механічного устаткування робочих клітей чистових груп ШСГП, а також розробка практичних рекомендацій з їхнього удосконалення є задачами актуальними та такими, що мають важливе наукове і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковим напрямкам “Розвиток ресурсозберігаючих процесів обробки металів тиском на основі створення нових методик аналізу закономірностей пластичного деформування” і “Створення нових і удосконалення діючих технологій, устаткування і засобів автоматизації в прокатному виробництві” провідних наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (роботи 0102U004052, 0101U001747, 0104U004039), а також у рамках ряду госпдоговірних науково-дослідних робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розширення сортаменту, підвищення якості і забезпечення економії матеріальних ресурсів при виробництві гарячекатаних штаб на основі розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування технології й устаткування, а також розробки практичних рекомендацій з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів робочих клітей чистових груп широкоштабових станів гарячої прокатки.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені наступні основні задачі:

кількісно уточнити механізм формування напружено – деформованого стану металу і граничні умови осередку деформації при гарячій прокатці особливо тонких штаб;

розробити чисельні математичні моделі локальних і інтегральних характеристик напружено-деформованого стану, а також основних показників якості особливо тонких гарячекатаних штаб;

уточнити вихідні дані і дати експериментальну оцінку ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень;

розробити комплекс програмних засобів з автоматизованого розрахунку і проектування технологічних режимів роботи й устаткування чистових робочих клітей широкоштабових станів гарячої прокатки;

проаналізувати умови реалізації процесу гарячої прокатки особливо тонких штаб, розробити науково обґрунтовані рекомендації з удосконалення технології і конструктивних параметрів механічного устаткування чистових груп клітей широкоштабових станів гарячої прокатки.

Об'єкт дослідження. Технологія й устаткування гарячої прокатки в чистовій групі робочих клітей широкоштабових станів.

Предмет дослідження. Закономірності механізмів формування і методи розрахунку напружено–деформованого стану і показників якості особливо тонких гарячекатаних штаб, а також конструктивні параметри механічного устаткування чистових робочих клітей ШСГП.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження напружено-деформованого стану металу проведені з використанням методів теорії пружності і пластичності, що включають у себе метод полів ліній ковзання і метод чисельного рекуррентного рішення кінцево-різницевих форм умов балансу енергетичних витрат та статично-динамічної рівноваги виділених елементарних об’ємів. Прогнозування точності геометричних характеристик одержуваних гарячекатаних штаб здійснено на основі методу передатних коефіцієнтів у їхньому кінцево-різницевому представленні. Дослідження напружено-деформованого стану основних вузлів і механізмів чистових робочих клітей виконано з використанням методу кінцевих елементів.

Експериментальні дослідження проведені на основі фізичного моделювання процесу гарячої прокатки в лабораторних і промислових умовах, методів тензометрії, вимірювання геометричних параметрів і температур. При обробці результатів експериментальних досліджень і оцінці ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень використані методи теорії імовірностей і математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають наступні основні її результати і положення:

уточнені і розширені в обсязі інформації, що надається, математичні моделі і виконано двомірний аналіз напруженого, деформованого і кінематичного станів при гарячій прокатці особливо тонких штаб у діапазоні співвідношення довжини дуги контакту і середньої товщини, що відповідає;

уточнено аналітичні описи розподілів граничних умов по довжині осередку деформації при гарячій прокатці особливо тонких штаб;

уперше розроблені чисельні двомірні за напруженнями математичні моделі локальних і інтегральних характеристик напруженого стану металу при гарячій прокатці особливо тонких штаб, що дозволяють врахувати вплив дотичних компонент девіатора напружень, а також реальний характер розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей , температур і умов контактного тертя;

одержали розвиток чисельні математичні моделі основних показників точності відносно тонких штаб при їхній гарячій прокатці і методи розрахунку напружено–деформованого стану вузлів робочих і опорних валків, вузлів станин і натискних механізмів чистових робочих клітей ШСГП;

вперше розроблено чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану біметалевих лицювальних планок напрямних поверхонь вузлів робочих клітей станів гарячої прокатки;

сформульовані критеріально і вирішені програмно задачі з автоматизованого розрахунку і проектування технологічних режимів роботи і обладнання чистових робочих клітей ШСГП.

Практична цінність отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи складають наступні її результати:

комплекс методик і програмних засобів з автоматизованого розрахунку напружено – деформованого стану, ступеня використання запасу пластичності і показників точності при гарячій прокатці особливо тонких штаб, а також по автоматизованому розрахунку і проектуванню технологічних режимів роботи і механічного устаткування робочих клітей чистових груп ШСГП;

науково обґрунтовані рекомендації з удосконалення технологічних режимів роботи і механічного устаткування чистових робочих клітей ШСГП, що забезпечують економію матеріальних ресурсів, розширення сортаменту в діапазон кінцевих товщин менш 1,4 мм і підвищення якості при виробництві гарячекатаних штаб.

конструкціЇ, методики розрахунку, технології виготовлення біметалевих лицювальних планок напрямних поверхонь робочих клітей станів гарячої прокатки.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмних продуктів, практичних рекомендацій і технічних рішень використані на АТ “Новокраматорський машинобудівний завод” (АТ НКМЗ), на АТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча (АТ ММК ім. Ілліча), на АТ “Новолипецкий металлургический комбинат” (НЛМК, м. Липецьк, Росія), а також у Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА) при реконструкції робочої кліти промислово-лабораторного стану 105/260х250.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав теоретичні дослідження, розробив математичні моделі напружено–деформованого стану металу при гарячій прокатці особливо тонких штаб і виконав аналіз результатів їхньої чисельної реалізації. Здійснив постановку задачі й обробку результатів з автоматизованого розрахунку напружено–деформованого стану основних вузлів і механізмів робочих клітей станів гарячої прокатки. Сформулював науково обґрунтовані практичні рекомендації з удосконалення технології й устаткування чистових робочих клітей ШСГП. Взяв участь у проектно-конструкторських роботах з модернізації промислово-лабораторного стану 105/260х250 ДДМА для проведення експериментальних досліджень напружено–деформованого стану й енергосилових параметрів, виконав обробку результатів експериментів. Узагальнив отримані результати і взяв участь у їхньому впровадженні. У роботах, опублікованих, у співавторстві, автору належить розробка технології виготовлення і конструкцій лицювальних біметалевих планок, а також математичних моделей процесу гарячої прокатки відносно тонких штаб, аналіз отриманих результатів і їхнє узагальнення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на Міжнародній науково-технічній конференції “Металургійне і прокатне устаткування” (м. Краматорськ, 1998), П'ятій конференції німецько-українського економічного форуму (Німеччина, 1999), Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Перспективні технології й устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (м. Краматорськ, 2001, 2002, м Краматорськ –Слов’янськ, 2003); Міжнародній науково-практичній конференції “Solid Works-2003/ Новітні технології САПР – підприємствам України і Росії” (м.Краматорськ, 2003), Міжнародній науково-технічній конференції “Нові наукомісткі технології, устаткування й оснащення для обробки металів тиском” (м. Краматорськ, 2004), Міжнародній науково-практичній конференції “Перспективи розвитку гірничо-металургійного комплексу” (м. Краматорськ, 2004), Міжнародній науково-технічній конференції “Нові методи і засоби дослідження процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2005), II Міжнародній науково-технічній конференції “Механіка пластичної формозміни. Технології й устаткування обробки матеріалів тиском” (м. Тула, 2004), VII Міжнародної науково-технічної конференції “Пластична деформація металів” (м. Дніпропетровськ, 2005), на науково-практичній конференції “Машинобудування – джерело ефективності гірничо-металургійного комплексу” (м. Дніпропетровськ, 2005), на першому і другому Міжнародних металургійних саммітах, (м. Москва, 2003, 2004), на науково-практичній конференції “Машинобудівний комплекс України. Стан і перспективи” (м. Маріуполь, 2005), на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (2003-2005), а також на розширених наукових семінарах кафедр ОМТ і АММ ДДМА (м. Краматорськ, 2005).

Публікації. Матеріали й основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 12 статтях з наукової тематики, з них 11 у 8 спеціалізованих згідно переліку ВАК України виданнях, нові технічні рішення захищені двома патентами України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 280 сторінок, у тому числі 149 сторінок основного тексту, 87 рисунків і 5 таблиць на 88 сторінках, список використаних джерел з 215 найменувань і 3 додатки на 43 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми і показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано поставлену мету і розв'язувані задачі, дана характеристика об'єкту, предмету і методів дослідження. Відзначено особистий внесок здобувача, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також їхня апробація і промислове використання.

Технологічні режими, методи розрахунку, склад і конструктивні

особливості механічного устаткування широкоштабових станів

гарячої прокатки (стан питання)

Промислове виробництво гарячекатаних листів і штаб, що містить в собі ряд технологій і устаткування, є одним з напрямків, що найбільш динамічно розвиваються у чорній і кольоровій металургії. У розвиток цього напрямку істотний внесок внесли Андреюк Л.В., Бровман М.Я., Васильов Я.Д., Данченко В.М., Зільберг Ю.В., Капланов В.І., Клименко В.М., Коновалов Ю.В., Корольов О.О., Кузнєцов Л.О., Мазур В.Л., Меєрович І.М., Мелешко В.І., Мінаев О.М., Ніколаєв В.О., Ноговіцин О.В., Полухін П.І., Полухін В.П., Пономарьов В.І., Потапкин В.Ф., Рокотян Є.С., Рокотян С.Є., Руденко Є.А., Саф'ян М.М., Саф'ян О.М., Старченко Д.І., Третьяков О.В., Хлопонин В.М., Целіков О.І., Чекмарев О.П., а також ряд інших вчених і фахівців.

Подальший розвиток технологій і устаткування з промислового виробництва гарячекатаних штаб, як показав аналіз стану питання в даній області, нерозривно зв'язаний з розширенням їхнього сортаменту за рахунок зниження кінцевих товщин до 0,8...1,4(мм) з одночасним забезпеченням досить високої якості готової металлопродукции. Рішення зазначених задач, у свою чергу, є можливим на основі підвищення ступеня наукової й економічної обґрунтованості прийнятих технічних рішень, серед яких варто вказати на створення нових широкоштабових станів нескінченної прокатки і ливарно-прокатних агрегатів з максимально можливим ступенем автоматизації на всіх стадіях технологічного процесу.

Разом з тим, з погляду мінімізації питомих капітальних витрат і економії матеріальних ресурсів становить інтерес організація виробництва особливо тонких гарячекатаних штаб на діючих ШСГП, що забезпечується за рахунок реконструкції їхнього устаткування й удосконалення технологічних режимів прокатки. Відзначене насамперед відноситься до технологіїй й устаткування чистових груп робочих клітей прокатних станів, у яких формуються основні показники якості готового металлопроката.

Умови реалізації процесу гарячої прокатки особливо тонких штаб на заключній стадії характеризуються наявністю цілого ряду технологічних особливостей, серед яких необхідно відзначити підвищені значення співвідношення довжини дуги контакту і середньої товщини, що досягають і більше, знижені рівні температур кінця прокатки, підвищений вплив контактних сил зовнішнього тертя і, як наслідок, підвищені рівні локальних і інтегральних характеристик напруженого стану металу. Відзначене робить необхідним уточнення і розширення методів розрахунку напружено-деформованого стану й основних показників якості гарячекатаних штаб з наступним рішенням на їхній основі задач з автоматизованого проектування технологічних режимів, виходячи зі складу і конструктивних особливостей конкретного механічного устаткування.

Наявність тенденцій по зниженню кінцевої товщини і підвищенню якості гарячекатаних штаб висуває додаткові вимоги і до устаткування чистових робочих клітей ШСГП, що поряд із широкими можливостями сучасних обчислювальних засобів свідчить про доцільність подальшого розвитку відповідних методів автоматизованого розрахунку і проектування. Актуальним у цьому випадку є розробка, дослідження і промислова апробація конкретних практичних рекомендацій і технічних рішень, спрямованих на удосконалення даного устаткування при одночасній мінімізації питомих капітальних витрат.

Вибір напрямку і методів дослідження

Як основний напрямок теоретичних і експериментальних досліджень в області технологій і устаткування ШСГП варто розглядати підвищення ступеня наукової обґрунтованості і технічних рішень, спрямованих на розширення сортаменту і підвищеня якості готової металопродукції, а також на зниження її собівартості і забезпечення економії матеріальних ресурсів на всіх етапах промислового виробництва. При цьому в основу даних досліджень слід покласти комплексний підхід, що припускає максимально повне охоплення як по можливих умовах реалізації розглянутого процесу гарячої прокатки, так і по обсягах наданої в цьому випадку інформації.

Специфіка умов реалізації процесу гарячої прокатки особливо тонких штаб робить необхідним уточнення вихідних передумов, що може бути здійснене на основі методу полів ліній ковзання, тобто з урахуванням двовимірного характеру пластичної формозміни металу. Безпосередньо математичне моделювання локальних і інтегральних характеристик напружено-деформованого стану може бути реалізоване на основі чисельних рекурентних рішень кінцево-різницевих форм умов балансу енергетичних витрат та статично-динамічної рівноваги виділених елементарних об’ємів, що дозволяють врахувати реальний характер розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей і умов зовнішнього тертя по довжині осередку деформації. Наявність підвищених рівнів співвідношень і дотичних компонент девіатора напружень на контактних поверхнях роблять необхідним урахування перерозподілу нормальних осьових напружень по товщині за рахунок використання коректної форми умови пластичності. Реалізація чисельних, у тому числі і кінцево-елементних підходів, є доцільної і з погляду математичного моделювання напружено-деформованого стану механічного устаткування чистових робочих клітей ШСГП.

Уточнення вихідних передумов, оцінка ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень, розширення об’ємів результатів наукових досліджень і їхня дослідно-промислова апробація можуть бути здійснені експериментально з використанням різного лабораторного і промислового устаткування, що забезпечує максимально повне охоплення всього діапазону можливих умов реалізації процесу гарячої прокатки відносно тонких, у тому числі й особливо тонких штаб.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану й основних показників якості відносно тонких штаб при їхній гарячій прокатці в чистовій групі клітей ШСГП

Двомірний аналіз механізмів формування напруженого, деформованого і і кінематичного станів металу при гарячій прокатці відносно тонких штаб, що має своєю метою уточнення вихідних передумов, був проведений на основі методу полів ліній ковзання, реалізованого шляхом чисельного визначення геометричних координат всіх особливих точок і наступного розрахунку полів характеристик у фізичній площині, у площині годографа швидкостей, у площині деформацій і в площині напружень. Отримані в цьому випадку результати дозволили встановити, що при гарячій прокатці особливо тонких штаб () ступені неоднорідності розподілів по товщині нормальних осьових напружень і осьової складовий швидкості пластичного плину не перевищують 8%, у той час як відносна зміна нормальних осьових напружень, обумовлена додатковим впливом перерозподілів дотичних компонент девіатора напружень є значимою і може досягати 25% і більш. Дуже істотний вплив у цьому випадку має місце і з точки зору характеру розподілів граничних умов по довжині зони пластичної формозміни.

Відповідно до викладеного вище з використанням чисельних інтерпретацій методик І.Я. Штаєрмана, Л.В. Андреюка і М.Я. Бровмана, а також В.К. Новікова і В.К. Бєлосєвича були уточнені і розширені алгоритмічні описи розподілів геометричних параметрів механічних властивостей, температур і умов зовнішнього контактного тертя по довжині осередку деформації процесу гарячої прокатки відносно тонких штаб.

Безпосередньо чисельне математичне моделювання локальних і інтегральних характеристик напружено-деформованого стану металу в цьому випадку здійснювали шляхом розбивання по горизонтальній осі всієї довжини зони пластичної формозміни на -у кінцеву безліч -их елементарних об’ємів і кожного з них по висоті на -у кінцеву безліч -их елементарних об’ємів. Наступне чисельне рекурентне рішення умови балансу енергетичних витрат, розглянутого в рамках кожного окремого -го елементарного об’єму, було здійснено шляхом ітераційного визначення нормальних контактних напружень, виходячи з виразу

, (1)

де, - поточні по довжині осередку деформації значення нормальних контактних напружень, що відповідають початковому (тут і далі цифровий індекс 1) і кінцевому (цифровий індекс 2) граничним перетинам виділеного -го елементарного об’єму зони пластичної формозміни металу, , - поточні по довжині і висоті зони пластичної формозміни нормальні осьові напруження і подвоєне значення опору зрушенню металу, що прокатується;

, , - товщина штаби в початковому і кінцевому граничних перетинах, а також довжина даного -го елементарного об’єму;

, - поточні значення коефіцієнтів зовнішнього тертя і коефіцієнтів немонотонності пластичної деформації;

, - щільність металу штаби, що прокатується, і величина його прискорення в рамках -го елементарного об’єму.

Крім власне рекурентного рішення зони пластичної формозміни, а також його початкових умов і умов зв'язку чисельна математична модель процесу гарячої прокатки відносно тонких тонких штаб містила в собі:

· розрахунок, виходячи з умови пластичності, нормальних осьових напружень, а також розрахунок, виходячи з кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги, -их елементарних об’ємів поточних значень дотичних компонент;

· розрахунок зон пружного відновлення штаби, що прокатується, виходячи з умови її статичної рівноваги;

· організація ітераційної процедури по визначенню довжини зони випередження, що відповідає умові рівності розрахункових і заданих значень величини переднього натяжіння;

· організацію чисельного інтегрування по визначенню сили і моментів прокатки;

· організацію ітераційної процедури з розрахунку пружного зплющення робочих валків;

· розрахунок поточних і результуючих показників ступеня використання запасу пластичності металу штаби, що прокатується;

· кінцево-різницеву схему розрахунку показників модуля жорсткості штаби, що прокатується, стосовно збільшень вихідної і кінцевої товщини, значення яких необхідно для прогнозування точності результуючих геометричних характеристик. |

Аналіз результатів чисельної реалізації розглянутої математичної моделіі (рис. ) показав, що урахування впливу дотичних компонент і реального характеру розподілів граничних умов дозволяє уточнити локальні й інтегральні характеристики напруженого стану в їхню меншу сторону на 20…30(%), де більше значення зазначеного діапазону відповідає більшим значенням співвідношення.

Отримані детерміновані рішення при їхній алгоритмічній організації на кінцево-різницеві визначення передатних коефіцієнтів, що характеризують вплив ступеня нестабільності вихідних технологічних параметрів досліджуваного процесу, були використані для прогнозування подовжньої і поперечної різнотовщинності гарячекатаних штаб. Показано домінуючий вплив стохастичних збільшень вихідної товщини, механічних властивостей і температури, при цьому зі зменшення кінцевих товщини і температур, що є характерним саме для гарячої прокатки особливо тонких штаб, вплив зазначених факторів істотно зростає (рис.2).

Рис. – Розрахункові розподіли локальних характеристик напруженого стану металу при гарячій прокатці відносно тонких штаб, отримані з урахуванням () і без урахування () дотичних компонент в умові пластичності.

(Сталь , ,)

Рис. . Розрахункові розподіли подовжньої різнотовщинності в залежності від сумісного змінення відносних прирощень вихідних технологічних параметрів при гарячій прокатці відносно тонких штаб зі сталі  (;;;;)

Розвиток методів розрахунку основних вузлів і механізмів чистових робочих клітей ШСГП

Умови реалізації процесу гарячої прокатки особливо тонких штаб, що характеризуються підвищеними рівнями енергосилових параметрів, близькими до гранично припустимих, роблять необхідним подальший розвиток методів розрахунку не тільки технологічних режимів, а і механічного устаткування, що використовуються в цьому випадку.

Виходячи з викладеного вище розрахунки напруженого й пружно-деформованого станів основних конструктивних елементів вузла робочих і опорних валків, вузла станин і вузла електромеханічного натискного механізму чистових робочих клітей були виконані з використанням кінцево-елементного пакета COSMOSWorks, інтегрованого в CAD-систему SolidWorks. При цьому коректування вихідних даних було проведено з урахуванням реального характеру розподілів і геометричних параметрів конструкцій, що досліджуються, і зовнішніх навантажень, що сприймаються ними.

Стосовно валкових вузлів досліджено вплив сили і моментів прокатки, ширини штаб, що прокатуються, і сили протизгину, надано рекомендації з вибору раціональних профілювань робочих валків. На прикладі результатів автоматизованого проектування вузла станин показана можливість раціонального переносу мас і зниження на цій основі питомої металоємності даного вузла на 20...30(%) при збереженні тієї ж жорсткості і забезпеченні його необхідної міцності.

На працездатність устаткування і якість продукції, що випускається, істотно впливає зношення напрямних елементів рухливих солучень елементів робочої клети. До таких елементів, зокрема, відносяться лицювальні планки, що забезпечують базування подушок робочих і опорних валків у горизонтальній площині. З використанням кінцево-різницевого і кінцево-елементного підходів (рис. ) був досліджений напружено-деформований стан лицювальних біметалевих планок, виготовлених з матеріалів з різними фізико-механічними властивостями. Встановлено, що розподіл напружень в цьому випадку залежить від співвідношення товщин і показників механічних властивостей твердої і м'якої складових, а також від умов фіксації планок. Найбільш раціональними з погляду зниження нормальних контактних напружень на поверхнях сполучення з вузлом станин є співвідношення товщин твердої і м'якої складових планки у діапазоні 0,3...0,5.

Рис. . Розрахункові схеми сполучень подушок валкового вузлу з вузлом станин робочої кліті ШСГП та розподіли по дотичним напруженням у станині кліті

Експериментальні дослідження процесів гарячої прокатки відносно тонких штаб

Експериментальні дослідження локальних характеристик напружено-деформованого стану при гарячій прокатці особливо тонких штаб були проведені шляхом фізичного моделювання даного технологічного процесу на спеціальному пристрої для пластичної деформації з робочими сегментами радіусом 750 мм, оснащеному штифтовими месдозами. Було встановлено, що внаслідок високих рівнів співвідношень, що обумовлюють домінуючий вплив контактних сил зовнішнього тертя, епюри і розрахункових, і емпіричних розподілів мають яскраво виражену куполоподібну форму з максимумом у районі нейтральних перетинів, Зниження поточних значень нормальних контактних напружень при прокатці може бути забезпечене за рахунок створення кінематичної асиметрії осередку деформації. Кількісно стосовно основного масиву розрахункових і емпіричних значень ступінь їхньої невідповідності у відносному вимірі не перевищив 13,5%, при цьому, як показали результати статистичної обробки, проведені тут і далі при довірчій імовірності 0,95, середні вибіркові значення співвідношень знаходилися в діапазоні 0,963…1,038,а мінімальні і максимальні межі довірчих інтервалів їхньої зміни відповідали 0,933...0,993 і 1,008...1,038.

Експериментальні дослідження енергосилових параметрів процесів прокатки відносно тонких штаб були проведені на базі промислово-лабораторного прокатного стану ДДМА у варіантах його конструктивних виконань з робочими валками діаметрами 260 мм і 105 мм, а також на базі прокатного міні-стану 100х100 з робочими валками діаметром 100 мм. В останньому випадку реалізацію процесу прокатки здійснювали як у симетричному, так і в асиметричному за кінематикою варіантах. При цьому була проведена реконструкція стану 55/260х200 під типорозмір валкового вузла 105/260х250 із приводом безпосередньо робочих валків. Стан був оснащений комплексом механізмів оперативного регулювання форми міжвалкового зазору за рахунок протизгину, осьового зрушення і перехрещування осей робочих, а також перехрещування осей опорних валків в горизонтальній площині.

У результаті досліджень було підтверджено, що збільшення відносних обтиснень і радіусів робочих валків, а також підвищення механічних властивостей однозначно приводять до збільшення енергосилових параметрів процесу прокатки, зниження яких, у свою чергу, може бути забезпечене за рахунок перерозподілу обтиснень і створення примусової кінематичної асиметрії осередку деформації.

Промислові дослідження енергосилових параметрів процесу гарячої прокатки проведені на базі ШСГП Новолипецького металургійного комбінату. Одержано експериментальні дані по визначенням сил і моментів прокатки, навантаженням головних приводів і перерозподілам моментів на верхніх і нижніх шпинделях. У цілому, аналіз результатів експериментальних досліджень інтегральних показників напруженого стану металу підтвердив достатній ступінь вірогідності теоретичних рішень, які використовуються. Одночасно з цим були виявлено і дуже істотні динамічні явища, що мають місце в початковій стадії процесу прокатки, тобто при захопленні штаби робочими валками прокатного стану. При цьому коефіцієнт динамічності в ряді випадків перевищив 2,0 , що визначає додаткові вимоги до міцності механічного устаткування, зокрема, до біметалевих лицювальних планок вузла станин.

Розробка рекомендацій з удосконалення й автоматизоване проектування технологій і устаткування чистових груп робочих клітей широкоштабових станів
гарячої прокатки

Розробка програмного забезпечення з автоматизованого проектування технологічних режимів обтиснень на безперервних прокатних станах була проведена на основі одержаних чисельних математичних моделей і з урахуванням можливостей конкретного механічного устаткування. Виходячи з цього, як критерії оптимальності проектованих технологічних режимів обтиснень, були використані локальні та узагальнені показники, що враховують співвідношення розрахункових і гранично припустимих значень сили, моментів і потужності процесу прокатки, а також величини результуючої різнотовщинности. Програмне забезпечення рішення поставлених задач оптимізації було здійснене на основі методу цілеспрямованого перебору варіантів і методу випадкового пошуку.

Рішення оптимізаційних задач за розглянутими критеріями було виконано алгоритмічною мовою С++ стосовно до ЕОМ стандарту IBM, а отримані в цьому випадку програмні засоби були використані для аналізу і проектування технологічних режимів обтиснень у безперервній групі чистових робочих клітей ШСГП Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча. Показано, зокрема, що для виробництва гарячекатаних штаб товщиною 1,2 мм і менш необхідним є встановлення сьомої чистової робочої кліті.

На прикладі автоматизованого проектування конкретного вузла станин з використанням методу кінцевих елементів показано можливість зниження його питомої металоємності на 22% зі збереженням тієї ж величини модуля жорсткості та забезпеченні потребуємих характеристик міцності.

Розроблено конструкції і технології виготовлення біметалевих лицювальних планок напрямних поверхонь вузлів робочих клітей та виконано їхнє впровадження на ряді листових прокатних станів України та Росії.

Висновки

У дисертації виконані нові науково-технічні розробки з розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також з удосконалення технологій і устаткування процесу гарячої прокатки відносно тонких штаб і рішення на цій основі актуальних задач, що мають практичне значення, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників широкоштабових станів гарячої прокатки .

1. Подальший розвиток технологій і устаткування процесів промислового виробництва гарячекатаних штаб нерозривно зв'язаний з розширенням сортаменту за рахунок зменшення кінцевої товщини і підвищенням якості готової металопродукції. З огляду на особливості процесу гарячої прокатки особливо тонких штаб рішення зазначених задач робить необхідним розвиток методів автоматизованого розрахунку і проектування технологій і устаткування, а також розробку і впровадження практичних рекомендацій, спрямованих на їхнє удосконалення.

2. На основі результатів двомірного аналізу напружено-деформованого стану металу встановлено, що при гарячій прокатці особливо тонких штаб ступінь неоднорідності розподілів по товщині нормальних осьових напружень і швидкостей не перевищує 8,0%, у той час як відносна зміна нормальних осьових напружень, обумовлена додатковим впливом дотичних компонент девіатора напружень, є значимою і може досягати 25% і більше.

3. З урахуванням результатів двомірного аналізу на основі чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевих форм умов балансу енергетичних витрат та статично-динамічної рівноваги, розглянутих у рамках виділених елементарних об’ємів осередку деформації, розроблена одномірна за кінематикою і двомірна за напруженнями математична модель процесу гарячої прокатки відносно тонких штаб, що дозволяє врахувати вплив дотичних компонент девіатора напружень, а також реальний характер розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей, температур і умов контактного тертя. Ступінь уточнення локальних і інтегральних характеристик напруженого стану металу в цьому випадку склав 20…30%

4. Розроблено комплекс чисельних математичних моделей і програмних засобів з автоматизованого розрахунку основних показників точності геометричних характеристик гарячекатаних штаб, з використанням методу кінцевих елементів одержали розвиток методи розрахунку напруженого й пружно-деформованого станів основних вузлів і конструктивних елементів механічного устаткування чистових робочих клітей широкоштабових станів гарячої прокатки. Вірогідність отриманих теоретичних рішень підтверджена експериментально.

5. З використанням детермінованих математичних моделей і узагальнених критеріїв оптимальності сформульовані і вирішені програмно задачі з автоматизованого проектування технологічних режимів роботи й основних конструктивних параметрів механічного устаткування чистових груп клітей ШСГП. На прикладі вузла станин показана можливість зниження його металоємності на 20% і більш при збереженні того ж показника модуля жорсткості і забезпеченні необхідних умов міцності. Показано доцільність використання у вузлах сполучень валків і станин біметалевих планок, що забезпечують зниження максимумів нормальних контактних напружень на 30% і більше.

6. Стосовно до технологічних режимів роботи й устаткування чистової групи робочих клітей ШСГП 1700 МарМК ім. Ілліча на основі результатів виконаних теоретичних і експериментальних досліджень установлено, що установка сьомої робочої кліти забезпечує з використанням розроблених режимів обтиснень і температурах 800 С і вище, можливість гарячої прокатки штаб з мало- і середньовуглецевих сталей типорозмірів 0,8х1000; 1,0х1250 і 1,2х1500 мм. Одночасно з цим обґрунтована необхідність реалізації комплексу технологічних і конструктивних заходів, спрямованих на забезпечення необхідних рівнів і ступеня стабільності температур кінця прокатки, а також на забезпечення необхідної точності геометричних характеристик готової металопродукції.

7. Результати роботи у вигляді програмних продуктів, конкретних технічних рішень і практичних рекомендацій використані на АТ “Новокраматорський машинобудівний завод” у рамках розробки проектно-конструкторської і проектно-технологічної документації, а також у Донбаській державній машинобудівній академії при реконструкції промислово-лабораторного стану 105/260х250. Запропоновано технологію виготовлення й в умовах Маріупольського ім. Ілліча і Новолипецького металургійних комбінатів упроваджених біметалевих планок вузлів сполучення подушок валків з напрямними станин станів гарячої прокатки.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Александров И.В., Бобух И.А. Совершенствование прокатного оборудования путем применения биметаллических планок // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. – 2001. – С.582-587.

2. Александров И.В., Бобух И.А. Освоение производства биметаллических накладных планок // Металург. – 2001. - №9. – С.48

3. Математическое моделирование и экспериментальное исследование термоупругого деформированного состояния биметаллических деталей прокатных станов в диапазоне повышенных температур / Т.А.КуликИ.В.Александров., А.Н.КуликА.А.Сатонин, Д.Ю.Михеенко// Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – Краматорськ-Слов’янськ: ДДМА. – 2003. – С.128-133.

4. Александров И.В., Бобух И.А. Исследование напряженно-деформированного состояния рабочих клетей с целью совершенствования их конструкции // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – ДДМА, Краматорськ-Слов’янськ, 2003. – С.44-51.

5. Александров И.В., Бобух И.А., Стрельников Н.Н. Реконструкция рабочих клетей прокатных станов с применением биметаллических облицовочных планок // Металург. – 2003. - №12. – С.40-41.

6. Конструкции и методы расчета механизмов изменения модуля жесткости рабочих клетей прокатных станов /В.А.Федоринов, И.В.Александров, В.Г.Пашков, С.К.Добряк // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – ДДМА, Краматорськ-Слов’янськ, 2003. – С.28--32

7. Александров И.В., Бобух И.А., Алиев И.С. Исследование влияния режимов прокатки и термообработки на эксплутационные свойства слоистого металла // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Тематич. сб. научн. тр. – ДГМА, Краматорск, 2004. – С.581-588.

8. Совершенствование оборудования и технологических режимов работы реверсивных прокатных станов холодной прокатки / В.Ф. Потапкин, В.А. Федоринов, А.В. Сатонин, И.В. Александров, Ю.Н. Белобров // Металлург. Материалы международной научно-практической конференции “Перспективы развития горно-металлургического комплекса” – ЗАО “Металлургиздат”, 2004. – Спецвыпуск. – С.15-17.

9. Алиев И.С., Александров И.В.,Сатонин А.В. Математическое моделирование напряжений, деформаций и степени использования запаса пластичности при горячей прокатке относительно тонких листов и полос // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 8. Пластична деформація металів. Дніпропетровськ: “Системні технології” – 2005. – С.53-57.

10. Математическое моделирование напряженного и упругодеформированного состояния биметаллических планок прокатного оборудования в диапазоне повышенных температур / И.В. Александров,В.И. Бобух, Т.А. Кулик, Д.Ю. Михеенко // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – Краматорськ, ДДМА, 2005. – С.491-494.

11. Аналитическое решение конечно-разностной формы условия баланса энергетических затрат применительно к выделенному элементарному объему очага деформации процесса горячей прокатки / И.В. Александров, А.А. Сатонин, В.В. Смолякова, П.Н. Стежкин // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – Краматорськ, ДДМА, 2005. – С.481-485.

12. Алиев И.С.Александров И.В.Бобух И.А. Совершенствование конструкции рабочих клетей на основе анализа напряженно- деформированного состояния / // Сборник тезисов II Международной научно-технической конференции “Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением” - Тула: ТулГУ, 2004. – С.121-122.

13. Пат. 56659 А Україна, 7 В21D22/00. Спосіб одержання двошарових листів / І.В. Александров, І.О. Бобух, В.В. Суглобов, П.М. Знов’єв (Украина). - № 2002086646, Заявл. 12.08.2002, Опубл. 15.05.2003, Бюл. №5.

14. Пат. 3296 U Україна, 7 В23К20/04. Спосіб виготовлення біметалічних планок / І.В. Александров, І.О. Бобух, О.І. Волошин, Ю.М. Давиденко, Т.Я. Семиндєєв (Украина). - № 2004010032, Заявл. 08.01.2004, Опубл. 15.11.2004, Бюл. №11.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві

[1,2,5,13,14] – розроблені технології виготовлення і конструкції біметалевих лицювальних планок напрямних поверхонь вузлів робочих клітей станів гарячої прокатки;

[3,7,10] – розроблено методики розрахунку напружено – деформованого стану біметалевих лицювальних планок напрямних поверхонь вузлів робочих клітей станів гарячої прокатки

[4,6,12] – на основі методу кінцевих елементів виконано аналіз напружено-деформованого стану основних вузлів чистових робочих клітей ШСГП та розроблено рекомендації з їхнього вдосконалення;

[8] – надано рекомендації з удосконалення вузлів робочих та опорних валків робочих клітей прокатних станів;

[9,11] – з урахуванням реальних розподілів граничних умов та дотичних компонент девіатора напружень уточнено математичні моделі напружено-деформованого стану при гарячій прокатці відносно тонких штаб.

АНОТАЦІЇ

Александров І.В. Удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів чистових робочих клітей широкоштабових станів гарячої прокатки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”. – Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2005.

Дисертація присвячена розширенню сортаменту, підвищенню якості забезпеченню економії матеріальних ресурсів при виробництві особливо тонких гарячекатаних штаб на основі розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування технології та обладнання, а також розробки практичних рекомендацій з вдосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів робочих клітей чистових груп широкоштабових станів гарячої прокатки.

В роботі розроблено комплекс математичних моделей та на їх основі встановлено основні закономірності механізму формування напружено-деформованого стану металу та показників якості металопродукції при гарячій прокатці особливо тонких штаб товщиною менш 1,4 мм.

З використанням методу кінцевих елементів уточнено особливості напружено-деформованого стану основних вузлів робочих клітей широкоштабових станів. Розроблено конструкцію і технологію виготовлення біметалевих лицювальних планок станин.

Експериментальними дослідженнями підтверджено вірогідність одержаних теоретичних результатів.

На основі проведених досліджень розроблені практичні рекомендації з удосконалення, а також сформульовані критеріально і вирішені програмно задачі з автоматизованого проектування відповідних технологій та обладнання.

Ключові слова:: гаряча прокатка, широкоштабові стани, чистові робочі кліти, напружено-деформований стан, сортамент, якість, автоматизований розрахунок і проектування, рекомендації з удосконалення.

Александров И.В. Совершенствование технологических режимов и конструктивных параметров чистовых рабочих клетей широкополосных станов горячей прокатки. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 “Процессы и машины обработки давлением”. – Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2005.

В работе на основе метода полей линий скольжения в его численной интерпретации получены количественные и качественные оценки напряженно-деформированного состояния при горячей прокатке особо тонких полос. Показаны возможность использования одномерных по кинематике приближений, а также необходимость учета касательных компонент тензора напряжений реального характера распределений граничных условий по длине очага деформации.

С использованием численных подходов уточнены аналитические описания распределений геометрических параметров, механических свойств, температур и условий внешнего контактного трения, с учетом которых