Донбаська державна машинобудівна академія

ДАВИДЕНКО КАТЕРИНА СЕРГІЇВНА

УДК 621.771.01: 621.771.23

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ
ТА ОБЛАДНАННЯ ПРОЦЕСІВ
СУМІСНОЇ ХОЛОДНОЇ ПРОКАТКИ
МІЖ НЕПРИВОДНИМИ І ПРИВОДНИМИ РОБОЧИМИ ВАЛКАМИ

Спеціальність

05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Краматорськ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в 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 автоматизованих металургійних машин та обладнання.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Яковченко Олександр Васильович,
Донецький національний технічний університет, професор кафедри обробки металів тиском;

кандидат технічних наук, доцент
Луцький Михайло Борисович,
Донбаський державний технічний університет (м. Алчевськ), доцент кафедри обробки металів тиском і металознавства

Захист відбудеться " 30 " жовтня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 із захисту дисертацій у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус, ауд.1319).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий " " вересня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 12.105.01 Ю. К. Доброносов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розширення сортаменту, підвищення якості й зниження собівартості готової металопродукції – основні складові, необхідні для розвитку чорної й кольорової металургії України. Вирішення зазначених задач є можливим на основі широкого вдосконалення діючих і створення нових високоефективних технологій і обладнання, які здійснюються при одночасному підвищенні ступеня наукової обґрунтованості прийнятих у кожному конкретному випадку технічних рішень.

Актуальність теми. Сучасне виробництво холоднокатаних стрічок і смуг містить у собі різні процеси симетричної й асиметричної прокатки, які представлені різними конструктивними схемами механічного обладнання безперервних і реверсивних прокатних станів. Встановлення на реверсивних станах додаткової кліті з неприводними робочими валками і її технологічне суміщення з кліттю симетричної прокатки дозволить розширити сортамент, підвищити якість стрічок і смуг, що прокатуються, при мінімальних додаткових капітальних і експлуатаційних витратах.

Умови реалізації даного технічного рішення майже не досліджені, що робить доцільним розвиток математичних методик розрахунку, які забезпечують розширення обсягів, а також підвищення ступеня вірогідності надаваної інформації. Важливим в цьому випадку, з огляду на багатофакторність і суперечливість впливу технологічних і конструктивних параметрів процесу сумісної холодної прокатки між неприводними й приводними робочими валками, є вирішення задач оптимізаційного плану, які використовують у якості узагальнених критеріальних оцінок основних показників якості, а також зниження собівартості готового металопрокату.

Розвиток широкого кола математичних моделей і програмних засобів з автоматизованого проектування є доцільним і з точки зору вибору раціонального складу, а також розробки рекомендацій з удосконалення конструктивних параметрів механічного обладнання прокатних станів.

Зважаючи на вищезазначене, подальший розвиток методик автоматизованого розрахунку й проектування технологій і обладнання процесу сумісної холодної прокатки відносно тонких стрічок і смуг між неприводними й приводними робочими валками, а також розробка практичних рекомендацій з їхнього вдосконалення є задачами актуальними й такими, що мають важливе наукове й практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає напрямку “Створення нових і вдосконалення діючих технологій, обладнання й засобів автоматизації в прокатному виробництві” наукової школи Донбаської державної машинобудівної академії. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт відповідно до координаційних планів Міністерства освіти і науки України, у яких здобувач була виконавцем (роботи 0101U001747, 0104U004039, наказ № від 7.11.2003), а також у рамках госпдоговірних науково-дослідних робіт (робота 0105U007248) з АТ “Новокраматорський машинобудівний завод” (АТ “НКМЗ”, м. Краматорськ), Українським науково-дослідним інститутом металургійного машинобудування (УкрНДІМеталургМаш, м. Слов'янськ), ТОВ “Діслав” (м. Краматорськ).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якості, розширення сортаменту й забезпечення економії матеріальних ресурсів при виробництві холоднокатаних стрічок і смуг, розвиток методик їхнього розрахунку й автоматизованого проектування, а також розробки рекомендацій з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання для реалізації процесів сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені й вирішені такі основні задачі:– 

розробити математичні моделі напружено-деформованого стану (НДС) металу при реалізації процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками;_ 

розробити математичні моделі й програмні засоби з автоматизованого розрахунку точності геометричних характеристик і ступеня стабільності результуючих механічних властивостей відносно тонких стрічок і смуг, які отримані при реалізації процесу сумісної прокатки між неприводним і приводними робочими валками;– 

дати оцінку ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень і експериментально уточнити вихідні передумови, необхідні для вдосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання станів холодної прокатки;– 

проаналізувати вплив, сформулювати узагальнені критерії й розробити програмні засоби з автоматизованого проектування технологічних режимів процесу сумісної холодної прокатки між неприводними й приводними робочими валками відносно тонких стрічок і смуг заданого сортаменту й з необхідними показниками якості;– 

розробити й апробувати технічні рішення, а також практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників при реконструкції діючих і створенні нових технологій і обладнання прокатного виробництва.

Об'єкт дослідження. Процеси й механічне обладнання для реалізації сумісної холодної прокатки між неприводними і приводними робочими валками.

Предмет дослідження. Закономірності й методики розрахунку механізмів формування НДС і основних показників якості при реалізації процесів сумісної холодної прокатки відносно тонких стрічок і смуг між неприводними й приводними робочими валками.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пружності й пластичності, що включають чисельні рекурентні рішення кінцево-різницевих форм умови статичної рівноваги виділених елементарних об’ємів, методи математичної статистики, методи кінцево-елементного моделювання, методи граничних оцінок, передатних коефіцієнтів, імітаційного моделювання,
а також методи теорії дослідження операцій, що припускають постановку й рішення задач оптимізаційного плану.

Експериментальні методи містили в собі фізичне моделювання процесу, що досліджують, методи тензометрії, вимірювання геометричних параметрів і механічних властивостей. При обробці результатів експериментальних досліджень були використані елементи теорії імовірності й математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи становлять такі основні результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень:– 

уперше стосовно процесів сумісної холодної прокатки відносно тонких стрічок і смуг між неприводними й приводними робочими валками на основі кінцево-різницевих і кінцево-елементних підходів розроблені чисельні математичні моделі (НДС) металу, що дозволяють урахувати реальний характер розподілів геометричних характеристик, механічних властивостей і умов зовнішнього контактного тертя, при забезпеченні можливості прогнозування локальних і результуючих показників ступеня використання запасу плинності;– 

уперше на основі методу граничних оцінок, методу передатних коефіцієнтів і імітаційного моделювання розроблений комплекс математичних моделей з прогнозування основних показників якості холоднокатаних стрічок і смуг, що враховує специфіку умов реалізації процесу сумісної холодної прокатки між неприводними й приводними робочими валками;– 

уперше з використанням розроблених математичних моделей виявлені та кількісно описані закономірності саморегулювання процесу сумісної холодної прокатки за спадкоємною складовою поздовжньої різнотовщинності в залежності від міжклітьового натяжіння;– 

розширений і уточнений кількісно характер впливу рівнів і ступеня нестабільності початкової товщини, механічних властивостей, коефіцієнтів зовнішнього тертя, радіусів робочих валків, значення заднього натяжіння й модулів жорсткості робочих клітей на основі вперше сформульованих і вирішених задач з автоматизованого проектування технологічних режимів, складу й конструктивних параметрів механічного обладнання для реалізації процесу сумісної прокатки й плющення відносно тонких заготовок.

Практична цінність отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи представляють такі її основні результати:– 

програмні засоби з автоматизованого розрахунку НДС і основних показників якості, що дозволяють оцінити й намітити шляхи вдосконалення якості та розширення сортаменту відносно тонких холоднокатаних стрічок і смуг на основі реалізації процесів сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками;– 

програмні засоби з автоматизованого проектування технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання прокатних станів, що забезпечують зниження трудомісткості й підвищення ефективності проектно-конструкторських і проектно-технологічних робіт;_ 

уточнені й розширені вихідні дані з силових навантажень, напружень і деформацій, які необхідні для вдосконалення приводів, а також окремих вузлів і механізмів робочих клітей реверсивних прокатних станів при їхній реконструкції з метою переходу на процеси сумісної прокатки;_ 

нова технологія виробництва плющеного дроту з використанням процесу сумісної прокатки між неприводними та приводними робочими валками, яка дозволяє отримати стрічку різного типорозміру з дроту одного діаметра;– 

технологічні й конструктивні рішення, а також рекомендації, що забезпечують підвищення ефективності й зниження питомих капітальних витрат при вдосконаленні діючих і створенні нових технологій і обладнання прокатного виробництва.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмних засобів, а також рекомендацій з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів використані в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування (м. Слов'янськ), а також ТОВ “Діслав” (м. Краматорськ).

Окремі розробки використовуються на кафедрі “Автоматизовані металургійні машини та обладнання” ДДМА в рамках викладання дисциплін “Математичні моделі в розрахунках на електронно-обчислювальних машинах”, “Основи автоматизованого проектування технологічного обладнання”, “Розрахунок і конструювання прокатних станів”, а також при виконанні дипломних і курсових проектів студентами й магістрами спеціальності 8.090218 “Металургійне обладнання”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно провела аналіз стану питання, розробила математичне й програмне забезпечення з автоматизованого розрахунку технологічних режимів і конструктивних параметрів обладнання для реалізації процесів сумісної холодної прокатки між неприводними й приводними робочими валками, виконала аналіз результатів чисельної реалізації й сформулювала практичні рекомендації. Взяла участь у створенні нового обладнання на базі прокатних станів 100х100 і 105/260х250, а також у проведенні експериментальних досліджень, обробці й аналізі їхніх результатів. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, авторові належить розробка математичних моделей, їхня алгоритмізація й програмування, участь у підготовці й проведенні експериментів, аналіз і узагальнення отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені: на Міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення й перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском”, м. Краматорськ, 2003; на Міжнародній науково-технічній конференції “Нові наукоємні технології, обладнання й оснащення для обробки металів тиском”, м. Краматорськ, 2004; на VII Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів”, м. Дніпропетровськ, 2005; на IV Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених і фахівців “Інтелект молодих – виробництву ”, м. Краматорськ, 2005; на Міжнародній науково-технічній конференції “Теорія та практика виробництва прокату”, м. Липецьк, 2005; на Міжнародній науково-технічній конференції “Нові методи та засоби дослідження процесів і машин обробки тиском”, м. Краматорськ, 2005; на Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні методи моделювання процесів обробки металів тиском”, м. Краматорськ, 2006; на ІІ Міжнародній науково-методичній конференції “Сучасні проблеми зварювання та споріднених технологій, вдосконалення підготовки кадрів”, м. Маріуполь, 2006; на науково-практичній конференції “Розвиток методів розрахунку, вдосконалення технологій та обладнання обробки металів тиском”, м. Краматорськ, 2007; на Міжнародній науково-технічній конференції “Фізико-механічні проблеми формування структури й властивостей матеріалів методами обробки тиском”, м. Краматорськ, 2007; на VIII науково-технічній конференції молодих фахівців ВАТ “АМК”, м. Алчевск, 2007; на наукових семінарах кафедр “Автоматизовані металургійні машини та обладнання” і “Обробка металів тиском” ДДМА (2004–2007 рр.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладені в 15 статтях, з них 9 опубліковані у 8 спеціалізованих відповідно до рекомендацій ВАК України виданнях з науково-технічної тематики, 1 стаття – в іноземному виданні.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 230 сторінок, у тому числі 130 сторінок основного тексту, 63 малюнка на 60 сторінках, 3 таблиці на 2 сторінках, список використаних джерел з 175 найменувань 3 додатка на 20 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, показаний зв'язок роботи з науковими програмами, темами, сформульовані мета й задачі дослідження. Відзначено особистий внесок здобувача, дана характеристика наукової новизни й практичного значення отриманих результатів, а також їх апробація.

Технологічні процеси й конструктивні особливості механічного обладнання
для виробництва холоднокатаних стрічок і смуг (стан питання)

Тонкі й найтонші стрічки й смуги з високовуглецевих, спеціальних і нержавіючих сталей підвищеної точності, а також сплавів на основі міді широко використовуються в різних галузях промисловості. Значний внесок у створення й наступний розвиток наукових основ різних технологічних схем процесу холодної прокатки внесли Бєлосевич В. К., Васильов Я. Д., Видрін В. М., Грішков А. І., Грудєв А. П., Желєзнов Ю. Д., Зільберг Ю. В., Капланов В. І., Когос А. М., Коновалов Ю. В., Корольов О. О., Коцарь С. Л., Кузнєцов Л. А., Мазур В. Л., Меєрович І. М., Ніколаєв В. О., Нікітін Г. С., Ноговіцин О. В., Полухін В. П., Потапкін В. Ф., Рокотян С. Е., Саф'ян О. М., Старченко Д. І., Третьяков О. В., Хіміч Г. Л., Хлопонін В. М., Целіков О. І. і ряд інших вчених.

Зменшити товщину й підвищити точність геометричних характеристик відносно тонких холоднокатаних стрічок і смуг дозволяють різні конструктивні рішення, такі як багатовалкові стани, MKW-стани, Y-стани, Z-стани та інші. З метою одержання стрічок високої якості вдосконалюється не тільки конструкція, але й технологічні режими роботи прокатних станів. Розроблені й одержали промислове впровадження різні технологічні схеми асиметричної прокатки, а також прокатка в неприводних робочих валках, основною перевагою яких є зниження впливу підпираючого ефекту сил зовнішнього тертя, зменшення модуля жорсткості заготовок, що прокатуються, при їхній пластичній формозміні і, як наслідок, зниження спадкоємної складової їхньої поздовжньої різнотовщинності. До недоліків процесу прокатки в неприводних валках можна віднести необхідність створення високих рівнів переднього натяжіння, що вимагає використання намотувально-натяжних пристроїв підвищеної потужності.

Існують різні методи розрахунку процесів холодної прокатки. Найпростіші
з них – інженерні, які приймають цілий ряд припущень і спрощень, які знижують обсяг і ступінь вірогідності надаваної інформації. Більш точними є чисельні математичні моделі, що дозволяють повніше врахувати реальний характер розподілів геометричних характеристик, механічних властивостей і умов зовнішнього контактного тертя
в повному обсязі осередка деформації.

Найважливішим показником якості холоднокатаних стрічок і смуг є точність геометричних характеристик показників форми, а також рівень і ступінь стабільності результуючих механічних властивостей. Для визначення даних параметрів широке розповсюдження одержав метод передатних коефіцієнтів, а також методи граничних оцінок та імітаційного моделювання.

З огляду на переваги й недоліки процесу деформації між неприводними робочими валками й симетричної прокатки, становить інтерес реалізація їхнього технологічного суміщення (рис. ), яке практично не досліджене й реалізоване тільки при сортовій прокатці. Запропоноване технологічне суміщення відрізняється конструктивною й експлуатаційною простотою, оскільки не вимагає встановлення додаткових приводів. При цьому зберігаються переваги процесу прокатки в неприводних валках зі зниження спадкоємної складової поздовжньої різнотовщинності, що обумовлено наявністю додаткового функціонального зв'язку межклітьового натяжіння й початкової товщини , а також переваги симетричної прокатки з інтенсифікації технологічних режимів обтиснення в другій робочій кліті.

Вибір напрямку й методів досліджень

Розвиток різних галузей промисловості України пов'язаний з розвитком металургійного виробництва, під яким мають на увазі розширення сортаменту, підвищення основних показників якості й зниження собівартості готового металопрокату. Відзначене дозволить підвищити конкурентноздатність продукції на ринках як ближнього, так і далекого зарубіжжя.

У якості основного теоретичного методу розрахунку НДС металу при реалізації процесу сумісної холодної прокатки між неприводними й приводними робочими валками було обране чисельне одномірне математичне моделювання. Даний метод передбачає організацію чисельного рекурентного розв‘язання кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділених елементарних об‘ємів, отриманих подрібненням зони пластичної формозміни на їхню кінцеву безліч. З використанням даного підходу був зроблений розрахунок локальних і інтегральних характеристик НДС, ступеня використання запасу плинності як у неприводній, так і в приводній робочих клітях. Критеріальна оцінка НДС здійснена також із використанням методу кінцевих елементів.

При визначенні показників точності геометричних характеристик, а також рівнів і ступеня стабільності механічних властивостей металопрокату були використані математичні моделі, засновані на методі граничних оцінок, а також методі передатних коефіцієнтів. Чисельні імітаційні математичні моделі реалізовані на основі загальної концепції методу Монте-Карло.

Експериментальні дослідження в лабораторних умовах проведені з метою уточнення початкових даних для чисельної реалізації математичних моделей і оцінки ступеня їх вірогідності. Створено нове технологічне обладнання, що являє собою дві суміщені в рамках одного прокатного стану робочі кліті: кліть із неприводними валками 100х100 і кліть із приводними робочими валками 105/260х250 (рис. ). Розглянута схема суміщення досліджена також і на основі двох клітей 100х100 з неприводними й приводними робочими валками. Результати експериментальних досліджень використані й для оцінки ефективності запропонованих технічних рішень і розроблених практичних рекомендацій.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану й основних показників якості при реалізації процесу сумісної холодної прокатки відносно тонких стрічок і смуг між неприводними й приводними робочими валками

Кількісна оцінка НДС металу й визначення енергосилових параметрів процесу прокатки в неприводних і приводних робочих клітях була виконана з використанням одномірних математичних моделей, що припускають чисельне рекурентне розв‘язання кінцево-різнецевої форми умов статичної рівноваги виділених елементарних об‘ємів, отриманих подрібненням зони пластичної формозміни на їхню кінцеву безліч. Крім цього математична модель містила:_ 

розрахунок зон пружного відновлення стрічок, що прокатуються;_ 

організацію ітераційної процедури з обліку пружного сплющення робочих валків;_ 

організацію на основі методу цілеспрямованого перебору ітераційної процедури з визначення довжин зон випередження в неприводній робочій кліті за умови рівності заданому значенню моментів прокатки на кожному з неприводних робочих валків, а в приводній кліті – за умови рівності розрахункових і заданих значень переднього натяжіння .

З урахуванням специфіки умов реалізації розглянутої технологічної схеми при математичному моделюванні процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками були використані умови рівності відповідних кінцевих і початкових товщин, тобто , а також умова рівності переднього й заднього натяжінь, тобто (див. рис. ). Був врахований у цьому випадку й реальний характер розвитку деформаційного зміцнення матеріалу стрічок і смуг, що прокатуються.

Аналіз результатів чисельної реалізації отриманої математичної моделі дозволив установити, що підвищення відносних обтиснень у першій неприводній робочій кліті приводить до збільшення сили прокатки в даній кліті (рис. ) з одночасним зниженням сили прокатки в приводній кліті . Одночасно з цим має місце значне збільшення напружень міжклітьового натяжіння , що накладає свій відбиток
на загальну картину НДС металу. Можливість перерозподілу обтиснень між неприводною й приводною робочими клітями дозволяє підібрати раціональний режим експлуатації обладнання відповідного прокатного стану з погляду його продуктивності, а також з погляду забезпечення необхідних показників поздовжньої різнотовщинності й площинності готового металопрокату.

У цілому розрахункові розподіли локальних і інтегральних характеристик носять складний характер, обумовлений цілим рядом факторів (див. рис. ), що підтверджує доцільність реалізації досить строгого чисельного підходу при розробці одномірної математичної моделі процесу.

З метою критеріальної оцінки НДС процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками була розроблена чисельна математична модель, заснована на використанні методу кінцевих елементів. Сама модель була реалізована в пакеті кінцево-елементного моделювання Abaqus .5 з використанням програмного комплексу Abaqus\Standart. При розрахунку робочі валки моделювалися аналітичними поверхнями, що не деформуються, а метал – чотиривузловими двомірними елементами з контролем руйнування CPE4R. Швидке формування початкових даних для розрахунку було забезпечено за рахунок створення параметризованої моделі даного процесу. Моделювання процесу здійснювали за два кроки:
на першому кроці відбувалося осадження смуги робочими валками першої неприводної і другої приводної робочих клітей, а на другому кроці відбувалося обертання валків кліті симетричної прокатки із заданою кутовою швидкістю і, відповідно, переміщення стрічки уздовж технологічної лінії, тобто реалізація процесу сумісної прокатки. Cтупінь невідповідності результатів кінцево-різницевого й кінцево-елементного моделювання не перевищив 15% за локальними і 8% за інтегральними характеристиками НДС.

Математичне моделювання основних показників якості холоднокатаних стрічок при реалізації процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками було виконано на основі методу граничних оцінок, а також методу Монте-Карло. Крім цього з використанням чисельних рішень, організованих відповідно до методу передатних коефіцієнтів у його кінцево-різницевому поданні, розроблені математичні моделі й програмні засоби з автоматизованого розрахунку інтенсивності зміни кінцевої товщини залежно від заданих змін вихідних технологічних параметрів. Безпосередньо збільшення кінцевої товщини стрічок після прокатки в неприводній робочій кліті визначали в цьому випадку як:

, (1)

де , , , – абсолютні значення збільшення вихідної товщини, вихідного значення напружень плинності, коефіцієнта зовнішнього тертя й заднього натяжіння для неприводної робочої кліті;

, , , – розрахункові значення передатних коефіцієнтів, що характеризують кількісно інтенсивність збільшення кінцевої товщини після прокатки в неприводній кліті залежно від збільшення відповідних вихідних технологічних параметрів;

, – модуль жорсткості й показник радіального биття робочих валків неприводної робочої кліті.

При реалізації процесу сумісної прокатки переднє натяжіння у неприводній робочій кліті є величиною змінною, при цьому за аналогією до рівняння (1) його збільшення може бути представлене у вигляді:

. (2)

Збільшення кінцевої товщини стрічки після прокатки в робочій кліті з приводними робочими валками було представлено у вигляді:

, (3)

де , , – абсолютні значення збільшення напружень плинності після прокатки в неприводній кліті, коефіцієнта зовнішнього тертя й переднього натяжіння для приводної робочої кліті;

, – модуль жорсткості й показник радіального биття валків приводної робочої кліті.

Рішення, аналогічні до (1)-(3), були отримані й для значень результуючих напружень плинності.

Визначення кінцевих товщин здійснювали на основі ітераційної процедури рішення пружнопластичної системи “робоча кліть – заготовка”, згідно з відомою залежністю Головіна-Сімса: , ітераційна процедура передбачала використання методу цілеспрямованого перебору варіантів. Як приклади результатів чисельної реалізації на рисунку представлені розрахункові розподіли кінцевої різнотовщинності холоднокатаних стрічок після першого й другого проходів при реалізації симетричної прокатки (СП-СП) і процесу сумісної деформації між неприводними робочими валками та симетричної прокатки (ДНРВ-СП).

Для процесу сумісної деформації характерні високі рівні натяжінь, тому необхідно знати, чи буде збережена цілісність деформованого середовища, що можна оцінити за допомогою ступеня використання запасу плинності металу стрічок. Самі значення ступеня використання як поточні , так і результуючі були визначені, виходячи з відомих розподілів основних компонентів НДС металу на основі методики В. А. Огороднікова.

Експериментальні дослідження енергосилових параметрів і основних
показників якості при реалізації процесів сумісної холодної прокатки стрічок
і смуг між неприводними і приводними робочими валками

Експериментальні дослідження інтегральних характеристик НДС, а також основних показників якості холоднокатаних стрічок процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками були проведені на базі двох станів: 100х100 і 105/260х250. Як результати експериментальних досліджень енергосилових параметрів були отримані значення сили прокатки в першій і другій робочих клітях, значення міжклітьового натяжіння й моменту прокатки на приводних робочих валках залежно від перерозподілу обтиснень між клітями.

Для проведення експериментальних досліджень основних показників якості була реалізована технологічна схема обтиснень стрічок з латуні Л , а для порівняльного аналізу була реалізована та ж схема, але у два проходи в кліті симетричної прокатки. Визначення відхилень кінцевої товщини стрічки від номінального значення при реалізації процесів сумісної прокатки склало , а при реалізації схеми у два проходи симетричної прокатки .

Дослідження енергосилових параметрів і результуючих геометричних характеристик процесу плющення стрічок були проведені на базі двох суміщених робочих клітей 100100 з неприводними й приводними робочими валками. Процес плющення здійснювали з різними обтисненнями в першій і в другій робочих клітях. Самі обтиснення підбиралися таким чином, щоб товщина плющеної стрічки після деформації на стані 100х100 із приводними робочими валками становила .Результати экспериментальних досліджень (рис. ) свідчать про те, що з дроту одного діаметра, у цьому випадку , можна одержати плющену стрічку однієї товщини, але різної ширини , змінюючи тільки значення міжклітьового натяжіння, яке залежить від обтиснення в кліті з неприводними робочими валками Таким чином, перерозподіляючи обтиснення в першій і в другій робочих клітях, можна одержати плющену стрічку різного типорозміру з дроту одного вихідного діаметра.

Автоматизоване проектування технологічних режимів й удосконалення
механічного обладнання станів для реалізації процесів сумісної прокатки
в клітях з неприводними й приводними робочими валками

На основі результатів аналізу впливу початкових технологічних і конструктивних параметрів встановлено, що, перерозподіляючи обтиснення між неприводною й приводною робочими клітями, можна підібрати ефективний режим експлуатації конкретного обладнання. З погляду зменшення енергоємності процесу необхідно обирати максимальні рівні обтиснень у неприводній робочій кліті. Кінцева різнотовщинність стрічок і смуг після реалізації процесу сумісної прокатки значно зменшується при інтенсифікації режимів обтиснення в першій неприводній робочій кліті. Це пов'язано з наявністю додаткового функціонального зв'язку міжклітьового натяжіння й початкової товщини. У той же час зі збільшенням обтиснення в неприводній робочій кліті збільшуються значення ступеня використання запасу плинності в кліті з неприводними робочими валками, а потім і в кліті симетричної прокатки. Таким чином, з погляду збереження цілісності деформованого середовища рівні обтиснень у першій робочій кліті повинні бути мінімальними.

Враховуючи суперечливість впливу деяких факторів, сформульована критеріально й вирішена програмно задача з автоматизованого проектування технологій і обладнання процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками, в основу якої покладені розроблені математичні моделі НДС металу й основних показників якості. При цьому був використаний узагальнений критерій оптимальності, який за допомогою відповідних вагових коефіцієнтів дозволив урахувати весь комплекс основних техніко-економічних показників.

На основі результатів математичного моделювання й експериментальних досліджень було розроблено нове механічне обладнання для реалізації процесу сумісної прокатки або плющення між неприводними й приводними робочими валками.
З використанням даного обладнання разом з ТОВ “Діслав” (м. Краматорськ) була виготовлена дослідно-промислова партія плющеної стрічки зі сталі 12Х18Н9Т. Розроблені також конструкції неприводних робочих клітей, які передбачається встановити перед робочими клітями ряду реверсивних прокатних і плющильних станів
з метою розширення сортаменту й підвищення якості стрічок і смуг.

ВИСНОВКИ

У дисертації виконані нові науково-технічні розробки з подальшого розвитку методів автоматизованого розрахунку й проектування, а також з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів обладнання процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками й вирішенню на цій основі актуальних задач, таких, що мають практичне значення, , спрямованих на розширення сортаменту, підвищення якості й забезпечення економії матеріальних ресурсів при виробництві холоднокатаних стрічок і смуг.

1. Одним з перспективних шляхів розвитку прокатного виробництва стрічок і смуг є вдосконалення процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками, що дозволить вирішити актуальні задачі розширення сортаменту, підвищення якості й економії матеріальних ресурсів.

2. Розроблено чисельні математичні моделі локальних і інтегральних показників напружено-деформованого стану металу при реалізації процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками, що дозволяють урахувати реальний характер розподілу геометричних характеристик, механічних властивостей і умов зовнішнього контактного тертя. На основі методики В. А. Огороднікова вирішена задача з визначення поточних і результуючих значень ступеня використання запасу плинності. Коректність отриманих одномірних моделей і можливість їхнього застосування підтверджена з використанням кінцево-елементного моделювання даної технологічної схеми.

3. На основі методу граничних оцінок, імітаційного моделювання, а також методу передатних коефіцієнтів розроблені математичні моделі основних показників якості холоднокатаних стрічок і смуг, отриманих при реалізації процесу сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками. Встановлено, що за рахунок позитивної кореляції початкової товщини, початкових механічних властивостей зі значенням міжклітьового натяжіння поздовжня різнотовщинність готової металопродукції може бути знижена на 20...30%, при цьому з погляду реконструкції діючого обладнання відсутня необхідність в установці приводів і систем автоматизованого регулювання. Істотне зниження поздовжньої різнотовщинності спостерігається при інтенсифікації режимів обтиснень у першій неприводній робочій кліті.

4. Достатній ступінь вірогідності отриманих чисельних математичних моделей підтверджений експериментально при визначенні інтегральних характеристик напружено-деформованого стану металу, а також точності геометричних характеристик стрічок і смуг при реалізації процесу сумісної прокатки між неприводними і приводними робочими валками. Зокрема, середня вибіркова оцінка відношень розрахункових , і емпіричних , значень сили прокатки в неприводній і приводній робочих клітях відповідно в цьому випадку дорівнювала , , а довірчі інтервали даних відношень відповідали діапазону , .

5. Експериментально встановлено, що при реалізації процесу сумісного плющення в кліті з неприводними робочими валками і наступною симетричною прокаткою з дроту одного вихідного діаметра за рахунок перерозподілу обтиснень можна отримати плющену стрічку однієї кінцевої товщини, але зі значеннями ширини, що змінюються в діапазоні до 30...35%. Перерозподіл обтиснень між неприводною та приводною робочими клітями дозволяє змінювати силу прокатки в другій робочій кліті в діапазоні до 50%, забезпечуючи тим самим необхідну площинність готового металопрокату.

6. З використанням узагальнених критеріїв оптимальності, що враховують
за допомогою відповідних вагових коефіцієнтів різні техніко-економічні показники, сформульована та вирішена задача з автоматизованого проектування технологій і обладнання процесу сумісної прокатки між неприводними і приводними робочими валками. Розроблено практичні рекомендації з удосконалення складу, конструктивних параметрів і технологічних режимів роботи механічного обладнання для реалізації даного процесу.

7. Створено нове технологічне обладнання для реалізації процесу сумісної прокатки або плющення між неприводними і приводними робочими валками,
на якому виготовлена дослідно-промислова партія плющеної стрічки зі сталі 12Х18Н9Т. Спроектовані нові конструкції неприводних робочих клітей, які передбачається встановити перед робочими клітями ряду реверсивних прокатних і плющильних станів, що дозволить розширити сортамент і підвищити якість стрічок і смуг.

8. Результати роботи у вигляді технологічних і конструктивних рекомендацій використані в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування (м. Слов'янськ), ТОВ “Діслав” (м. Краматорськ).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Точность геометрических характеристик при реализации совмещенных процессов симметричной и асимметричной прокатки / В. А. Федоринов, С. К. Добряк, Е. С. Давыденко, В. В. Плеханова // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2003. – С. .

2. Моделирование точности геометрических характеристик при реализации совмещенных процессов асимметричной и симметричной прокатки / В. А. Федоринов, А. В. Сатонин, Е. С. Давыденко, В. В. Плеханова // Теория и практика производства листового проката: Сб. науч. тр.– Липецк: ЛГТУ, 2005. – Часть . – С. 8-54.

3. Совмещение процессов симметричной и асимметричной прокатки как способ повышения точности металлопродукции / В. А. Федоринов, Ю. К. Доброносов, Е. С. Давыденко, В. В. Плеханова // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том . Пластична деформація металів. – Дніпропетровськ: Системні технології, 2005. – С. .

4. Повышение работоспособности и расширение технологических возможностей механического оборудования рабочих клетей станов холодной прокаткиВ. Ф. Потапкин, Ю. Н. Белобров, В. А. Федоринов, А. В. Сатонин, Е. С. Давыденко, В. В. Плеханова // Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. пр. – Маріуполь: ПЛТУ. – Вип. , 2005. – С. .

5. Двумерный анализ напряженно-деформированного состояния при прокатке относительно тонких лент и полос в рабочих валках разного диаметраМ. В. Федоринов, Е. С. Давыденко, В. В. Плеханова, С. А. Франко // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2005. – С. .

6. Напряженно-деформированное состояние металла при горячей прокатке особо тонких полос / А. В. Сатонин, И. В. Александров, Е. С. Давыденко, В. В. ДворжакВісник ДДМА: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА. – №2, 2005. – С. .

7. Экспериментальные исследования процесса плющения в совмещенных рабочих клетях / С. Н. Грибкова, А. И. Дворжак, Е. С. Давыденко, К. Ю. Юрков // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. .

8. Исследование напряженно-деформированного состояния металла при волочении трубных заготовок / С. В. Касьянюк, С. В. Чемерис, Е. С. Давыденко, В. В. Дворжак // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском
в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. 221.

9. Методика экспериментальных исследований процесса плющения с различными натяжениями / В. А. Федоринов, А. И. Дворжак, Е. С. Давыденко, А. С. СеледцовСб. науч. тр. – Алчевск: ДГТУ, 2007. – С. .

10. Шпак В. И. Конечно-элементное моделирование совмещенных процессов прокатки / В. И. Шпак, А. А. Сатонин, Е. С. Давыденко // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2007. – С. .

11. Прогнозирование точности геометрических характеристик реализации совмещенных процессов и асимметричной и симметричной прокаткиЕ. С. Давыденко, В. В. Плеханова // Студентський вісник ДДМА: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2003. – С. .

12. Дворжак А. И. Создание и совершенствование технологий совмещенных процессов асимметричной и симметричной холодной прокатки и плющенияА. И. Дворжак, Е. С. Давыденко, В. В. Плеханова // Интеллект молодых – производству 2005: IV Междунар. научно-практическая конференция молодых ученных и специалистов, 14-18 ноября  г. – Краматорск: АО “НКМЗ”, 2005. – С. .

13. Федоринов В. А. Совершенствование технологий и оборудования для прокатки особо тонких полос / В. А. Федоринов, Е. С. Давыденко, В. В. Дворжак // Застосування тоерії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском і автотехнічних експертизах: Міжнар. науково-технічна конференція, 29 травня – 1 червня  р. – Віннниця: ВНТУ, 2006. – С. .

14. Способы регулирования геометрических параметров плющеной проволоки для механизированной наплавки / А. В. Шевченко, С. Н. Грибкова, А. И. Дворжак, Е. С. Давыденко // Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров: ІІ Международная научно-методическая конференция, 11-14 сентября 2006 г. – Мариуполь: ПГТУ, 2006. – С. .

15. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при плющении порошковой проволоки / Э. П. Грибков, Е. С. Давыденко // VIII научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО “АМК”, 21-22 мая  г. – Алчевск: OJSCIRON-AND-STEEL WORKS", 2007. – С. .

Особистий внесок автора у роботах, що опубліковані у спiвавторствi

[1, 11] – розроблені програмні засоби з автоматизованого розрахунку процесу сумісної прокатки між неприводними та приводними робочими валками; [2] – розроблена математична модель прогнозування поздовжньої різнотовщинності;
[3, 13] – виконаний аналіз умов реалізації сумісної прокатки між неприводними та приводними робочими валками; [4] – проведений аналіз перспектив розвитку валкових вузлів; [5] – виконаний аналіз НДС у неприводних і приводних робочих валках; [6, 8] _виконаний двомірний аналіз НДС металу в умовах плоскої пластичної формозміни; [7, 12, 14] – проаналізовані отримані дані експериментальних досліджень сумісного процесу плющення; [9] – запропонована методика проведення експериментальних досліджень; [10] – виконане кінцево-елементне моделювання сумісного процесу прокатки між неприводними і приводними робочими валками; [15] – уточнені дані для математичного моделювання НДС металу.

АНОТАЦІЇ

Давиденко К. С. Удосконалення технології та обладнання процесів сумісної холодної прокатки між неприводними і приводними робочими валками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. – Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2007.

Дисертація присвячена розширенню сортаменту, підвищенню якості й забезпеченню економії матеріальних ресурсів при виробництві холоднокатаних стрічок і смуг, а також розробці практичних рекомендацій з удосконалення технології й обладнання процесів сумісної прокатки між неприводними й приводними робочими валками.

У роботі на основі кінцево-різницевих і кінцево-елементних підходів розроблені чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану металу й показників ступеня використання запасу пластичності при реалізації процесу сумісної холодної прокатки між неприводними й приводними робочими валками.

На основі методів граничних оцінок, передатних коефіцієнтів й імітаційного моделювання, розроблений комплекс математичних моделей з прогнозування основних показників якості холоднокатаних стрічок і смуг.

Достатній ступінь вірогідності отриманих чисельних математичних моделей підтверджений експериментально.

З використанням узагальнених критеріїв оптимальності сформульована й вирішена задача з автоматизованого проектування технологій і обладнання процесу сумісної прокатки. Розроблено рекомендації з удосконалення складу, конструктивних параметрів і технологічних режимів роботи механічного обладнання реверсивних станів для реалізації сумісного процесу прокатки між неприводними і приводними робочими валками.

Ключові слова: холодна прокатка, технології, механічне обладнання, сумісна прокатка, неприводні валки, математичне моделювання, напружено-деформований стан, якість, автоматизоване проектування.

Давыденко Е. С. Совершенствование технологии и оборудования процессов совмещенной холодной прокатки между неприводными и приводными рабочими валками. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. – Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2007.

Диссертация направлена на расширение сортамента, повышение качества и обеспечение экономии материальных ресурсов при производстве холоднокатаных лент и полос на основе развития методов автоматизированного расчета и проектирования, а также разработки практических рекомендаций по совершенствованию технологии и оборудования процессов холодной совмещенной прокатки между неприводными и приводными рабочими валками.

Данное технологическое совмещение отличается конструктивной и эксплуатационной простотой, поскольку не требует установки дополнительных приводов и использования весьма сложных систем кинематической синхронизации работы двух совмещенных в рамках одного прокатного стана рабочих клетей. При этом сохраняются преимущества процессов прокатки в неприводных рабочих валках по снижению наследственной составляющей продольной разнотолщинности, что обусловлено наличием дополнительной функциональной связи межклетьевого натяжения и исходной толщины, а также преимущества симметричной прокатки по интенсификации технологических режимов обжатия во второй рабочей клети.

В работе на основе конечно-разностного подхода разработана численная математическая модель напряженно-деформированного состояния металла и показателей степени использования запаса пластичности при холодной совмещенной прокатке между неприводными и приводными рабочими валками, позволяющая определить изменения величины межклетьевого натяжения и возможность порыва заготовки в зависимости от обжатия в неприводной клети. Численное математическое моделирование процесса совмещенной прокатки, выполненное с использованием метода конечных элементов, свидетельствует о достаточной степени адекватности конечно-разностного подхода.

С использованием методов предельных оценок, передаточных коэффициентов и имитационного моделирования, предполагающего использование концепции метода Монте-Карло, разработан комплекс математических моделей по прогнозированию основных показателей качества холоднокатаных лент и полос, учитывающий специфику реализации процессов совмещенной прокатки. Точность геометрических характеристик определена на основе итерационной процедуры решения упругопластической системы “рабочая клеть – прокатываемая лента” с использованием метода целенаправленного перебора вариантов.

Достаточная степень достоверности полученных численных математических моделей подтверждена экспериментально при определении интегральных характеристик напряженно-деформированного