СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

ФЕДОРИНОВ МИХАЙЛО ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 621.771.01:621.771.23:621.771.6

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ОБЛАДНАННЯ
ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ЛИСТОВОГО МЕТАЛОПРОКАТУ
З ПРОФІЛЬОВАНИМИ ПО ДОВЖИНІ ГЕОМЕТРИЧНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Луганськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Сатонін Олександр Володимирович,
Донбаська державна машинобудівна академія, професор кафедри “Автоматизовані металургійні машини та обладнання”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Саф’ян Олександр Матвійович,
ВАТ “Модуль” (м. Камінець – Подільський), перший заступник голови правління – технічний директор.

кандидат технічних наук, доцент
Луцький Михайло Борисович,
Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ), доцент кафедри “Обробка металів тиском і матеріалознавство”.

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, кафедра технології виробництва літальних апаратів, Міністерство освіти і науки України (м. Харків).

Захист відбудеться 16 лютого 2006 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.02 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а.

Автореферат розісланий 13 січня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д .051.02

доктор технічних наук, професор Ю.І. Гутько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Подальший розвиток чорної і кольорової металургії, а також заготівельних виробництв ряду інших галузей промисловості нерозривно зв'язаний з розширенням сортаменту, підвищенням якості і забезпеченням економії матеріальних ресурсів при виробництві холоднокатаних листів різного призначення, у тому числі і відносно тонких (з відношенням довжини дуги контакту до середньої товщини більше 3) холоднокатаних листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками. Необхідність рішення зазначених задач поряд зі специфікою реалізованих у цьому випадку технологій вимагають проведення широкого кола подальших досліджень, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників різних технологічних схем і обладнання процесу холодної полистової прокатки.

Актуальність теми. Холоднокатані листи з профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками є одним з достатньо ефективних видів готової металопродукції, що забезпечують необхідні рівні міцності і жорсткості при одночасному зниженні питомої металоємності конструкцій. Використання процесу холодної полистової прокатки з профілюванням величини попереднього міжвалкового зазору є ефективним і з погляду раціональних схем з утилізації різного роду металевих відходів і брухту, у тому числі з утилізації гільз артилерійських снарядів великого калібру без їхнього переплавлення.

У самому загальному випадку умови реалізації процесу холодної профілюючої полистової прокатки характеризуються наявністю різних технологічних і конструктивних схем, серед яких слід зазначити процеси прокатки з відповідним відпрацьовуванням натискних механізмів, процеси прокатки на профільованій плиті, процеси прокатки в ексцентрикових робочих валках та інші. Зазначене різноманіття з урахуванням специфіки механізмів формування напружено-деформованого стану (НДС) і основних показників якості, що є перемінними в часі, тобто по ходу прокатки, вимагають подальшого розвитку відповідних методів розрахунку з наступною розробкою на їхній основі практичних рекомендацій з удосконалення, а також програмних засобів з автоматизованого розрахунку і проектування технологій і обладнання процесів промислового виробництва відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками. Важливою у цьому випадку є реалізація комплексного теоретико-експериментального підходу при одночасному підвищенні ступеня вірогідності і розширенні обсягів наданої інформації, у тому числі і за рахунок використання чисельних математичних моделей.

У зв‘язку з викладеним вище подальший розвиток методів розрахунку й автоматизованого проектування, розробка практичних рекомендацій з удосконалення технологій і обладнання процесів виробництва відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками є задачами актуальними і такими, що мають важливе наукове і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямкові “Створення нових і удосконалення діючих технологій, обладнання і засобів автоматизації в прокатному виробництві” однієї з провідних наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (накази №551 від 23.11.2000, №756 від 7.11.2003, роботи 0104U001747, 0104U004039, 0105U002444), а також у рамках госпдоговірних науково-дослідних робіт з УкрНДІметалургмашем, АТ “НКМЗ”, АТ “СКМЗ” і рядом інших підприємств.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розширення сортаменту, підвищення якості і забезпечення економії матеріальних ресурсів при виробництві листового металопрокату з профільованими по довжині геометричними характеристиками на основі розвитку методів з автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробки рекомендацій з удосконалення технологій і обладнання процесів полистової прокатки.

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

уточнити кількісні описи механізму формування напруженого, деформованого і кінематичного станів металу при холодній прокатці відносно тонких листів;

розробити чисельні математичні моделі НДС і основних показників якості при холодній прокатці відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками;

уточнити і розширити в обсязі інформації, що надається, чисельні математичні моделі НДС основних вузлів і механізмів робочих клітей станів холодної полистової прокатки;

дати експериментальну оцінку ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень і уточнити вихідні передумови для розробки й удосконалення технологій і обладнання по виробництву відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками;

проаналізувати вплив, розробити практичні рекомендації з удосконалення і програмні засоби з автоматизованого проектування технологічних режимів роботи, складу і конструктивних параметрів механічного обладнання для виробництва відносно тонких профільованих по довжині холоднокатаних листів різного призначення.

Об'єкт дослідження. Процеси й обладнання для виробництва відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками.

Предмет дослідження. Основні закономірності механізмів формування і методи розрахунку НДС і основних показників якості при холодній прокатці відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пластичності, що включають у себе метод полів ліній ковзання, методи чисельних рекурентних рішень кінцево-різницевих форм умов статичної рівноваги елементарних об’ємів, отриманих шляхом розбивки зон пластичної і пружної формозміни на їхню кінцеву безліч, а також методи передатних коефіцієнтів і імітаційного моделювання в часі. Розрахунок НДС основних конструктивних елементів робочих клітей був здійснений на основі методів теорії пружності, у тому числі і методу кінцевих елементів, а постановка і рішення задач з автоматизованого проектування були виконані з залученням елементів теорії дослідження операцій.

Експериментальні методи дослідження включали фізичне моделювання процесу холодної прокатки відносно тонких листів із величиною попереднього міжвалкового зазору, що профілюється, реалізованого, у тому числі, на спеціально створеному в рамках даної роботи обладнанні, методи тензометрії, виміру геометричних параметрів і механічних властивостей, експертну оцінку якості і споживчих властивостей одержуваної металопродукції.

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

уточнено кількісні і якісні описи механізму формування НДС металу, що враховують двомірний характер його пластичної формозміни при холодній прокатці відносно тонких листів;

уперше розроблені чисельні математичні моделі НДС і основних показників якості при холодній прокатці відносно тонких листів із профільованими по довжині геометричними характеристиками, що враховують реальний характер зміни граничних умов як по довжині осередку деформації, так і в часі, тобто по ходу прокатки;

уточнено методи розрахунку валкових вузлів, вузлів станин, профільованих плит, а також механізмів попереднього напруження і зміни модуля жорсткості робочих клітей станів холодної полистової прокатки, що враховують реальний характер розподілів зовнішніх навантажень і конструктивних параметрів даних вузлів;

вперше стосовно до виробництва відносно тонких листів з профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками сформульовані і вирішені програмно задачі з автоматизованого розрахунку і проектування технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного обладнання станів холодної прокатки;

розроблені й апробовані технічні рішення і практичні рекомендації, спрямовані на розширення сортаменту і підвищення якості холоднокатаних листів із профільованими по довжині геометричними характеристиками при одночасному забезпеченні економії матеріальних ресурсів як на стадіях створення, так і на стадіях освоєння технологій і обладнання для їхнього виробництва.

Практична цінність отриманих результатів. Практичну цінність виконаного дослідження представляють наступні його основні результати:

комплекс математичних моделей і програмних засобів з автоматизованого розрахунку і проектування технологій і обладнання для виробництва відносно тонких холоднокатаних листів із профільованими по їх довжині геометричними характеристиками;

технології й обладнання для утилізації і забезпечення вторинного використання гільз артилерійських снарядів великого калібру без їхнього переплавлення;

технологічні й конструктивні рішення, а також практичні рекомендації, спрямовані на розширення сортаменту, підвищення якості й економію матеріальних ресурсів при виробництві холоднокатаних листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмних продуктів, технічних рішень і практичних рекомендацій використані на АТ “Новокраматорський машинобудівний завод” (АТ НКМЗ), на АТ “Старокраматорський машинобудівний завод” (АТ СКМЗ), в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування (УкрНДІметалургмаш) і в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА).

Окремі положення дисертації використовуються на кафедрі “Автоматизовані металургійні машини й обладнання” ДДМА в рамках викладання ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні науково-дослідних робіт, курсових і дипломних проектів студентами і магістрами спеціальності 8.090218 “Металургійне обладнання”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно провів теоретичні дослідження, розробив математичне і програмне забезпечення з автоматизованого розрахунку технологій і обладнання процесів холодної прокатки відносно тонких листів із профільованими по їх довжині геометричними характеристиками, виконав аналіз результатів чисельної реалізації і сформулював практичні рекомендації. Взяв участь у створенні нових установок на базі прокатних станів 100х100 Г ДДМА, 100х100 М ДДМА, 105/260х250 ДДМА й у проведенні експериментальних досліджень різних технологічних схем процесу холодної полистової прокатки. Узагальнив результати теоретичних і експериментальних досліджень, взяв участь у їхньому впровадженні. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить уточнення математичних моделей, їхня чисельна реалізація й аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на п'ятьох Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Перспективні технології й обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (м. Краматорськ, 2000-2003, 2005); на міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2003); на міжнародній науково-технічній конференції “Нові наукомісткі технології, обладнання й оснащення для обробки металів тиском” (м. Краматорськ, 2004), на міжнародній науково-технічній конференції “Перспективи розвитку гірничо-металургійного комплексу” (м. Краматорськ, 2004), на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (2001 - 2005), на науково-технічних радах УкрНДІметалургмаша, а також на розширених наукових семінарах кафедри АММ ДДМА (м. Краматорськ, 2003 - 2005).

Публікації. Матеріали й основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 10 статтях з наукової тематики, з них 9 у 6 спеціалізованих відповідно до переліку ВАК України виданнях. Отримано патент на корисну модель з конструкції механізму зміни модуля жорсткості робочої кліті прокатного стану.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 300 сторінок, у тому числі 149 сторінок основного тексту, 109 малюнків на 106 сторінках, 3 таблиці на 4 сторінках, список використаних джерел з 226 найменувань і 3 додатки на 41 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

Технології, обладнання і методи розрахунку процесів холодної полистової прокатки (аналіз стану питання)

Холоднокатаний листовий металопрокат різних типорозмірів і призначення досить широко використовується в різних галузях промисловості. Значний внесок у створення і наступний розвиток наукових основ різних технологічних схем процесу холодної прокатки внесли Агєєв Л.М., Бєлосевич В.К., Бровман М.Я., Васильов Я.Д., Видрін В.М., Гребеник В.М., Грудєв А.П., Данченко В.М., Долженков Ф.Є., Желєзнов Ю.Д., Зільберг Ю.В., Капланов В.І., Клименко В.М., Когос А.М., Коновалов Ю.В., Корольов О.О., Коцарь С.Л., Луговський В.М., Мазур В.Л., Меєрович І.М., Мелешко В.І., Мінаев О.М., Ніколаєв В.О., Ноговіцин О.В., Полухін П.І., Полухін В.П., Потапкін В.Ф., Рокотян Є.С., Рокотян С.Є., Саф'ян М.М., Саф'ян О.М., Старченко Д.І., Третьяков О.В., Третьяков Є.М., Хіміч Г.Л., Хлопонін В.М., Целіков О.І., Чекмарьов О.П. і ряд інших учених.

Крім звичайного листового прокату в різних галузях промисловості досить широко використовуються холоднокатані листи, товщина яких по довжині змінюється за заданим законом, тобто листи з профільованими по довжині геометричними характеристиками. Інтерес викликає і рішення зворотної задачі, що полягає у виробництві плоского металопрокату з постійною товщиною з наявних профільованих листових заготівок перемінної товщини. Остання представляється найбільш раціональною для утилізації гільз артилерійських снарядів великого калібру, що мають перемінну по висоті товщину стінки. Серед засобів реалізації зазначених схем найбільше поширення одержали процеси прокатки зі зміною величини попередньо встановленого міжвалкового зазору за рахунок відповідного відпрацьовування натискними механізмами, прокатки у валках з перемінним катаючим радіусом, а також прокатки на плиті з профільованою товщиною. Зазначені способи відрізняються перемінною по довжині прокату величиною обтиснення і, як наслідок, перемінними в часі показниками НДС металу, що забезпечують формування основних показників якості готової металопродукції.

З погляду кількісної оцінки НДС металу одним з найбільш розповсюджених методів є метод полів ліній ковзання, що дозволяє повною мірою врахувати двомірний характер пластичної формозміни металу. Однак ряд характерних для нього допущень дозволяє використовувати його стосовно до холодної прокатки тільки в якості критеріального, у той час як більш точне урахування граничних умов і деформаційного зміцнення може бути здійснене на основі чисельних підходів, що припускають кінцево-різницеве представлення основних компонентів НДС, розглянутих у рамках кожного окремого виділеного елементарного об‘єму осередку деформації.

Поряд з показниками НДС математичному моделюванню підлягають і основні показники якості готового металопрокату, до яких слыд віднести точність геометричних параметрів листів по товщині і довжині, а також рівень і ступінь стабільності результуючих механічних властивостей. У подальшому дані математичні моделі можуть бути реалізовані для визначення основних закономірностей і розробки рекомендацій з удосконалення технологічних параметрів процесу холодної прокатки листів з перемінним по довжині обтисненням, а також для рішення задач з автоматизованого проектування відповідних технологій.

Стосовно до механічного обладнання станів холодної полистової прокатки вибір раціональних параметрів традиційних елементів конструкції робочих клітей, а також профільованих плит різних типорозмірів, що забезпечують одержання необхідних показників якості, необхідно реалізовувати на основі сучасних методів тривимірного комп'ютерного моделювання. Доцільним є розвиток методів розрахунку механізмів зміни модуля жорсткості робочих клітей і профілювання форми активної утворюючої міжвалкового зазору з урахуванням прокатки на плиті, а також подальше удосконалення окремих вузлів і механізмів, спрямоване на розширення технологічних можливостей і підвищення техніко-економічних показників.

Вибір напрямку і методів досліджень

В умовах переходу до ринкових механізмів господарювання як основний напрямок теоретичних і експериментальних досліджень технологій і обладнання процесів холодної полистової прокатки з перемінним по довжині обтисненням варто прийняти можливість розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості готової металопродукції при одночасному забезпеченні економії матеріальних ресурсів.

Теоретичне дослідження НДС при реалізації різних технологічних схем процесу холодної полистової прокатки може бути проведене на основі чисельної інтерпретації методу полів ліній ковзання, що дозволяє врахувати немонотонний і двовимірний характер пластичного плину металу, а також на основі чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги, розглянутої в рамках кожного окремого виділеного елементарного об‘єму, що забезпечує урахування реальних розподілів граничних умов по довжині осередку деформації. Чисельні підходи, засновані на методі передатних коефіцієнтів і методі імітаційного моделювання, можуть бути використані для математичного моделювання основних показників якості холоднокатаних листів, а разом з цим і для рішення задач з удосконалення й автоматизованого проектування відповідних технологій і обладнання.

Аналіз НДС елементів конструкцій робочих клітей станів холодної полистової прокатки, у тому числі плит із заданим профілюванням по їхній довжині, може бути проведений з використанням інженерних методів теорії опору матеріалів, а також методу початкових параметрів і методу кінцевих елементів у їхній чисельній інтерпретації.

Уточнення вихідних передумов, оцінка ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень і апробація розроблених на їх основі практичних рекомендацій можуть бути здійснені експериментально з використанням лабораторного і промислового обладнання, що забезпечує, як і у випадку теоретичних досліджень, можливість аналізу різних технологічних схем процесу холодної прокатки листів із профільованими по довжині геометричними характеристиками.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану, енергосилових параметрів і основних показників якості при холодній прокатці відносно тонких листів із профільованими по довжині геометричними характеристиками

Однією з найбільш перспективних технологічних схем виробництва листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками є процес холодної прокатки на плиті з заданим розподілом її товщини. Наявність асиметрії геометричних параметрів осередку деформації поряд з різними умовами зовнішнього тертя на протилежних контактних поверхнях приводять у цьому випадку до деякої видозміни механізму формування НДС, що вимагає його відповідного уточнення.

Теоретичний аналіз НДС при холодній прокатці листів був заснований на використанні методу полів ліній ковзання, який повною мірою враховує двовимірний характер пластичної формозміни металу. Побудова і наступний аналіз теоретичних моделей осередку деформації у вигляді полів характеристик у фізичній площині, а також у площинах годографа швидкостей, деформацій і напружень здійснювали чисельно шляхом визначення геометричних координат всіх особливих крапок на основі властивостей ліній ковзання, що варіюються за величиною граничних умов.

Аналіз отриманих теоретичних моделей дозволив встановити, що в самому загальному випадку процеси холодної полистової прокатки, у тому числі і процес прокатки на плиті, характеризуються неоднорідністю розподілів напруженого, деформованого і кінематичного станів як по довжині, так і по висоті осередку деформації. Однак ступінь зазначених неоднорідностей по висоті невеликий і кількісно не перевищує 10%, що робить правомірним використання відповідних допущень при розробці чисельних одномірних математичних моделей.

Відповідно до викладеного вище, а також з урахуванням домінуючого впливу неоднорідності розподілів граничних умов по довжині осередку деформації детерміновані математичні моделі локальних і інтегральних характеристик НДС при холодній полистовій прокатці були розроблені на основі чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умов статичної рівноваги виділених елементарних об’ємів, отриманих шляхом розбивки зони пластичної формозміни металу по її довжині на i-ту їх кінцеву різницю. Реалізація даного підходу дозволила повною мірою врахувати реальний характер розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя по довжині осередку деформації, при цьому, крім власне рішення зони пластичної формозміни металу, а також початкових умов і умов зв'язку математична модель містила у собі:

розрахунок зони пружного відновлення й організацію ітераційної процедури з визначення довжин зон випередження і кінематичних параметрів процесу, виходячи з умов рівності розрахункових і заданих значень напружень переднього і заднього натяжінь;

чисельне інтегрування отриманих локальних характеристик напруженого стану металу, що має своєю метою визначення сили і моментів прокатки;

організацію ітераційної процедури з урахування пружного сплющування робочих валків, у тому числі і з урахування пружних деформацій вигину деформуючих плит, що використовуються;

розрахунок показників ступеня використання запасу пластичності матеріалу листів, що прокатуються, а також визначення передатних коефіцієнтів, що характеризують інтенсивність збільшення результуючих енергосилових параметрів у залежності від відповідного збільшення кожного з вихідних технологічних параметрів процесу холодної полистової прокатки, при цьому було встановлено, що ступінь невідповідності передатних коефіцієнтів відносно збільшень кінцевої і вихідної товщини може досягати 1,5...2,0 і більше.

З використанням чисельних детермінованих рішень, організованих відповідно до методу передатних коефіцієнтів у його кінцево-різницевому представленні, розроблено математичні моделі і програмні засоби з автоматизованого розрахунку інтенсивності зміни кінцевої товщини, енергосилових параметрів у залежності від заданих змін вихідних технологічних параметрів процесу холодної профілюючої полистової прокатки. Безпосередньо збільшення товщини профільованих холоднокатаних листів у j-ий момент часу, з огляду на додаткову можливість зміни і модуля жорсткості робочої кліті , визначали в цьому випадку як:

, (1)

де , , , , , , - задані значення збільшення величини попереднього міжвалкового зазору , вихідної товщини і ширини , а також показників механічних властивостей , опорного значення коефіцієнта зовнішнього тертя , і модуля жорсткості робочої кліті , розрахункове значення сили в даний -ий момент часу, тобто в даному -ому поперечному перерізі листів, що прокатуються, отриманому шляхом розбивки їхньої вихідної довжини на задану -ту кінцеву різницю;

, , , , - розрахункові значення передатних коефіцієнтів, що характеризують інтенсивність збільшення сили прокатки в залежності від збільшення відповідних вихідних технологічних параметрів.

Виходячи зі структури залежності (1) і з урахуванням необхідного приросту кінцевої товщини необхідні прирости величини попереднього міжвалкового зазору , ширини або модуля жорсткості робочої кліті , які забезпечують задане профілювання листів, що прокатуються, по їхній довжині, можуть бути визначені, відповідно, як:

; (2)

; (3)

. (4)

Крім методу передатних коефіцієнтів отримані детерміновані теоретичні рішення, будучи доповненими -ою розбивкою по довжині листів, що прокатуються, і ітераційним рішенням пружно-пластичної системи “робоча кліть – листова заготовка, що прокатується” були покладені в основу розгорнутих у часі чисельних математичних моделей процесу холодної прокатки відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками і за товщиною , і за шириною . Аналіз отриманих у цьому випадку результатів (рис. ) показав, що найбільш прийнятною схемою виробництва відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками є процес холодної прокатки з заданою зміною величини попереднього міжвалкового зазору (див. рис. , а). При цьому необхідні закони зміни є близькими до лінійних і кількісно визначаються профілюванням вихідної і кінцевої товщини, шириною , радіусами робочих валків , модулем жорсткості робочої кліті і рядом інших параметрів. Поряд зі зміною геометричних параметрів і величини абсолютного обтиснення має місце і досить суттєва зміна енергосилових параметрів по довжині листів, що прокатуються, (див. рис. , б), у тому числі і досить суттєва зміна сили прокатки , що накладає додаткові обмеження з погляду забезпечення необхідного ступеня площинності готової металопродукції.

Розвиток методів автоматизованого розрахунку напружено-деформованого стану механічного обладнання робочих клітей станів холодної полистової прокатки

З урахуванням підвищених рівнів інтенсивності зміни енергосилових параметрів і впливу модуля жорсткості (див. рис. ) на основі методу початкових параметрів у його чисельній інтерпретації, а також з використанням кінцево-елементного пакета COSMOSWorks, інтегрованого в CAD-систему SolidWorks, одержали розвиток методи розрахунку НДС основних конструктивних елементів робочих клітей станів холодної полистової прокатки, а саме, вузла робочих і опорних валків і вузла станин, що сприймають усю величину сили прокатки і кількісно визначають номінальне значення модуля жорсткості всієї робочої кліті. При цьому враховувалися всі силові фактори, що діють на валки при прокатці, а також розглядалися варіанти попередньо напружених систем. Результати розрахунків НДС валкової системи і вузла станин, що виконані в системі COSMOSWorks, отримані в графічній формі у вигляді об'ємної деформованої моделі, на якій області різних кольорів показують, як розподілені еквівалентні напруження. Встановлено, що поряд зі зниженням подовжньої різнотовщиності використання попередньо напружених по буртах робочих валків дозволяє розширити діапазон можливого регулювання поперечного профілю і ступеня площинності листового металопрокату на 20…50(%). Ступінь уточнення методів розрахунку вузлів станин, який забезпечений більш коректним урахуванням реального, тобто нерівномірно розподіленого характеру дії зовнішнього навантаження, може досягати 35% по напруженнях і 20% по величині пружних деформацій.

Аналогічні підходи були використані при моделюванні напруженого й пружно-деформованого стану профільованих плит (рис. ) і планок механізмів зміни модуля жорсткості (рис. ) робочих клітей станів холодної полистової прокатки.

Показано, що умови реалізації процесу прокатки на плитах, виконаних із профільованою по їхній довжині товщиною, що забезпечує заданий закон зміни величини попереднього міжвалкового зазору , роблять доцільним використання даної технології при виробництві профільованих холоднокатаних листів із плоскої заготовки і, навпаки, при виробництві плоского металопрокату з профільованої вихідної заготовки. Використання в цьому випадку механізмів зміни модуля жорсткості робочої кліті дозволяє цілеспрямовано змінювати сумарну пружну деформацію її основних конструктивних елементів і, як наслідок, розширити діапазон можливого профілювання при використанні деформуючих плит однакового типорозміру. Установлено, що діапазон можливої зміни модуля жорсткості робочих клітей листопрокатних станів за рахунок використання рухомих в осьовому напрямку П-подібних планок (див. рис. , а) або планок з V-подібним (див. рис. , б) подовжнім пазом складає 0,3...1,0 від номінального значення даного параметра.

Одержала розвиток методика по визначенню модуля жорсткості попередньо напружених робочих клітей листових прокатних станів, на основі результатів чисельної реалізації якої показано, що використання механізмів попереднього напруження дозволяє за інших рівних умов підвищити модуль жорсткості робочих клітей у 1,5...2,0 рази, де більш високі значення зазначеного діапазону відповідають максимальним значенням модуля жорсткості самого механізму попереднього напруження.

Експериментальні дослідження технологій і обладнання процесів холодної прокатки відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині
геометричними характеристиками

Експериментальні дослідження результуючих геометричних характеристик сили і моменту при прокатці клиноподібних листових заготовок зі зміною обтиснення шляхом відпрацьовування натискним механізмом були проведені на спеціально створеному лабораторному міні-стані 100х100 Г ДДМА, оснащеному гідравлічним натискним пристроєм, а їхні результати підтвердили можливість одержання такого виду продукції . Експериментальні дослідження прокатки листових свинцевих заготовок з вихідною клинподібністю були проведені на лабораторному міні-стані 100х100 М, оснащеному П-подібними планками для регулювання модуля жорсткості робочої кліті в процесі прокатки. При цьому безпосередньо в процесі пластичного деформування забезпечувалася цілеспрямована зміна величини попереднього межвалкового зазору і модуля жорсткості робочої кліті. Прокатка листів з перемінним по довжині обтисненням для різних схем деформації проведена на промислово-лабораторному стані 105/260х250 з регулюванням модуля жорсткості кліті і створенням попереднього напруження по подушках валків. Експериментально підтверджено високий ступінь зміни сили і моменту при прокатці відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками. Установлено, що використання механізмів попереднього напруження і П-подібних планок забезпечує можливість зміни модуля жорсткості робочих клітей станів холодної листової прокатки в діапазоні 0,3...1,7 від номінального значення даного параметра, що сприяє розширенню технологічних можливостей стосовно розширення сортаменту і підвищенню якості готової металопродукції при виробництві відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками. Показано доцільність зменшення діаметрів робочих валків і вибору раціональних значень ширини і довжини листових заготовок, що прокатуються.

Результати проведених експериментальних досліджень підтвердили достатній ступінь вірогідності отриманих у рамках даної роботи математичних моделей і відповідних їм програмних засобів. Діапазони зміни середніх вибіркових значень співвідношень розрахункових і емпіричних показників по кінцевій товщині , силі і моменту прокатки в цьому випадку відповідали ; і , а довірчі інтервали вірогідностної зміни для даних співвідношень були рівні ; і .

Уточнені вихідні дані, розроблена й апробована експериментально технологія по утилізації гільз артилерійських пострілів калібру 152 мм, що включає відділення донної частини, відпалювання, подовжнє розрізання отриманої заготовки, виправлення листових фрагментів і їхню прокатку в листи постійної товщини. Унаслідок перемінної товщини стінки гільзи по довжині процес прокатки здійснювали з перемінним обтисненням на профільованій плиті. Визначено енергосилові параметри процесів різання і прокатки заготовок, встановлено доцільність використання їх попереднього і проміжного відпалювання.

Розробка рекомендацій з удосконалення і програмних засобів з
автоматизованого проектування технологій і обладнання для виробництва листового металопрокату з профільованими по довжині геометричними характеристиками

На основі результатів аналізу впливу вихідних технологічних і конструктивних параметрів виявлений досить широкий діапазон можливого профілювання кінцевої товщини по довжині відносно тонких листів, що прокатуються на профільованій деформуючій плиті. Кількісно даний діапазон може бути розширений за рахунок цілеспрямованої зміни ширини листових заготовок, що прокатуються, модуля жорсткості робочої кліті, а також за рахунок удосконалення технологічних режимів обтиснень. Зниження досить значного розмаху зміни сили прокатки, що має місце в цьому випадку і, як наслідок, підвищення ступеня площинності готової металопродукції можуть бути забезпечені за рахунок зменшення діаметрів робочих валків і коефіцієнтів зовнішнього тертя, а також за рахунок раціонального розкрою вихідних заготовок і підвищення дрібності деформації.

З урахуванням результатів аналізу впливу сформульована крітеріально і вирішена програмно задача з автоматизованого проектування технологій і обладнання процесу холодної прокатки відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками, в основу яких покладені розроблені математичні моделі НДС і основних показників якості. Як критерій оптимальності в цьому випадку використано показник, що максимально повно враховує розподіл і ступінь впливу вихідних технологічних і конструктивних параметрів на якість і собівартість готової листовий металопродукції.

Результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень були використані при створенні й удосконаленні технологій і обладнання для утилізації і забезпечення можливості вторинного використання гільз артилерійських пострілів великого калібру без їхнього переплавлення. Доведено можливість холодної прокатки плоских листів постійної товщини з клинових листових заготовок за рахунок використання деформуючих плит з лінійним профілюванням їхньої товщини. При цьому кількість необхідних типорозмірів плит може бути зменшена за рахунок забезпечення можливості додаткового регулювання модуля жорсткості робочих клітей станів холодної полистової прокатки.

Стосовно до технологій і обладнання з виробництва відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками запропонований ряд перспективних технічних рішень, що забезпечують підвищення ступеня площинності готового металопрокату за рахунок цілеспрямованої зміни пружної деформації противигину профільованих деформуючих плит, що використовуються.

ВИСНОВКИ

У дисертації виконані нові науково-технічні розробки з подальшого розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також з удосконалення технологій і обладнання процесу холодної прокатки відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками і рішення на цій основі актуальних задач, що мають практичне значення, спрямованих на розширення сортаменту, підвищення якості і забезпечення економії матеріальних ресурсів при виробництві листового металопрокату різного призначення.

1. Підвищення техніко-економічних показників процесів промислового виробництва відносно тонких холоднокатаних листів, у тому числі й листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками, нерозривно зв'язано з підвищенням ступеня наукової обґрунтованості прийнятих технічних рішень, що здійснюються на основі подальшого розвитку методів з автоматизованого розрахунку і проектування відповідних технологій і обладнання, а також на основі розробки і впровадження рекомендацій з їхнього удосконалення.

2. На основі результатів двомірного аналізу напруженого, деформованого і кінематичного станів металу при холодній прокатці відносно тонких листів встановлено, що ступінь неоднорідності розподілів відповідних показників по висоті кожного окремого поперечного переріза осередку деформації не перевищує 10%. З урахуванням цього розроблена чисельна математична модель процесу холодної прокатки відносно тонких листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками, яка заснована на рекурентному рішенні кінцево-різницевої форми умов статичної рівноваги виділених елементарних об’ємів і враховує реальний характер розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя як по довжині осередку деформації, так і в часі.

3. Розроблено комплекс чисельних математичних моделей і програмних засобів з автоматизованого розрахунку точності геометричних характеристик профільованого по довжині листового металопрокату, на основі кінцево-елементних підходів одержали розвиток методи розрахунку напружено-деформованого стану основних вузлів і конструктивних елементів механічного обладнання робочих клітей станів холодної полистової прокатки. Достатній ступінь вірогідності отриманих теоретичних рішень підтверджений експериментально, при цьому діапазони зміни середніх вибіркових значень співвідношень розрахункових і емпіричних показників по кінцевій товщині, силі і моменту прокатки відповідали 0,985...1,010, 0,975...1,025 і 0,97...1,04. Експериментально уточнені вихідні дані на проектування технологій і обладнання з утилізації і забезпечення можливості вторинного використання гільз артилерійських пострілів великого калібру без їхнього переплавлення.

4. Стосовно до технологій і обладнання процесу виробництва листового металопрокату з профільованими по довжині геометричними характеристиками на основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень встановлено наступне:

· співвідношення модулів пластичної жорсткості відносно тонких листів, що прокатуються, по відношенню до збільшення кінцевої і вихідної товщини знаходиться в діапазоні 1,5...2,0, де більші значення відповідають меншій товщині, а також більш високим значенням радіусів робочих валків і коефіцієнтів зовнішнього тертя;

· діапазон можливої зміни модуля жорсткості робочих клітей станів холодної полистової прокатки, що забезпечується механізмами їхнього попереднього напруження і використанням П-подібних планок або планок з V-подібним подовжнім пазом, складає 30...200(%) від номінального значення даного параметра;

· використання процесу холодної полистової прокатки на деформуючих плитах із профільованими по їхній довжині значеннями товщини забезпечує можливість цілеспрямованої зміни поточного значення кінцевої товщини одержуваних листів у діапазоні 15...30 (%), при цьому крім профілювань зазначених плит як додаткові параметри регулювання можуть бути використані ширина листових заготовок, що прокатуються, і технологічні режими їхніх обтиснень, а також радіуси робочих валків і значення модуля жорсткості робочої кліті;

· ступінь нестабільності енергосилових параметрів по довжині відносно тонких листів, що прокатуються з профілюванням їхньої кінцевої товщини, може бути знижений за рахунок зменшення радіусів робочих валків і коефіцієнтів зовнішнього тертя, а також за рахунок раціонального розкрою вихідних заготовок і підвищення дрібності їхньої пластичної деформації.

5. Запропоновано, досліджено й апробовано технологічну схему з утилізації гільз артилерійських пострілів великого калібру без їхнього переплавлення, що включає в себе попередній розкрій, відпалювання і наступне розрізання з виправленням циліндричних частин, холодну прокатку отриманих листових заготовок на деформуючій плиті з профільованими по лінійному закону значеннями їхньої товщини, проміжне відпалювання і холодну полистову прокатку на заданий типорозмір. Стосовно даної схеми і відповідного їй обладнання на основі результатів виконаних досліджень встановлено:

· приведені значення сили різання вихідних заготовок складають 280…360Н/мм2) у їх невідпаленому і 85…105(Н/мм2) у відпаленому стані;

· холодну полистову прокатку на деформуючій плиті, що забезпечує виключення клиноподібності вихідних заготовок по їхній товщині, доцільно здійснювати в робочих валках діаметром 100...160 (мм), при цьому використання плит одного типорозміру при прокатці різних вихідних заготовок вимагає регулювання модуля жорсткості робочої кліті в діапазоні 0,8...1,0 від його номінального значення;

· після первинної профілюючої прокатки доцільним є використання проміжного відпалювання для вирівнювання механічних властивостей і наступної вторинної прокатки в попередньо напружених робочих клітях, результуюча подовжня різнотовщиність у цьому випадку не перевищує 0,6...0,8 від відповідного поля допуску.

6. З використанням узагальнених критеріїв сформульовані і вирішені програмно задачі з автоматизованого проектування технологічних режимів холодної прокатки відносно тонких листів із профільованими геометричними характеристиками, а також з вибору раціональних значень діаметрів робочих валків, профілювань деформуючих плит і конструктивних параметрів основних елементів механізмів зміни модуля жорсткості робочої кліті. Запропонований і досліджений ряд технічних рішень, спрямованих на розширення сортаменту, підвищення точності і зниження собівартості одержуваних холоднокатаних листів.

7. Стосовно до умов виробництва холоднокатаних листів із профільованими по їхній довжині геометричними характеристиками зроблений вибір складу і здійснена реконструкція обладнання спеціалізованих прокатно-опоряджувальних дільниць на базі промислово-лабораторного стану 105/260х250 ДДМА і дослідно-промислового стану 160/300х300 УкрНДІметалургмаша. Результати роботи у вигляді програмних продуктів, конкретних технічних рішень і практичних рекомендацій, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників листопрокатного виробництва, використані також на АТ “Новокраматорський машинобудівний завод” і інших підприємствах металургійного і машинобудівного профілю.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Расчет формы межвалкового зазора при скрещивании рабочих и опорных валков промышленно-лабораторного прокатного стана 105/260х250 / И.А.Морозов, В.А.Паламарчук, Е.С.Зозуля, М.В.Федоринов, П.Н.Козлов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. – 2000.- С.353-356.

2. Рамадан А.М.Х., Федоринов М.В. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла при холодной прокатке стали резачной, основанное на энергетическом подходе //Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. – 2001. – С.546-548.

3. 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 в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. – 2002. – С.447-451.

4. Методы расчета и перспективы развития технологий и оборудования процессов полистовой прокатки на плите / В.Ф.Потапкин, А.В.Сатонин, М.В.Федоринов, М.Е.Кокотько // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. – 2003. – С.15-20.

5. Упруго-деформированное состояние рабочих валков предварительно напряженных клетей прокатных станов / Е.С.Зозуля, М.В.Федоринов, П.П.Черненко, Д.А.Штукин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. – 2003. – С.245-247.

6. Зозуля Е.С., Федоринов М.В., Черненко П.П. Двумерная математическая модель напряженно-деформированного состояния метала при прокатке относительно тонких лент, листов и полос // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ-Слов,янськ: ДДМА. – 2003. –