CC BY
46
19. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Расчет распределения деформаций по сечению пряди при круговом обжатии // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. Магнитогорск: ФГОУ ВПО «МГТУ», 2012. № 4. С. 47-51.
20. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Повышение эффективности производства стальных подвижных канатов применением калибрующего обжатия прядей // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2014. № 2 (41). С.13-18.
21. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986.
688 с.
22. Загиров Н.Н., Рудницкий Э.А. Теория обработки металлов давлением. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 56 с.
23. Долженков Ф.Е. Обработка металлов давлением. Донецк: ДонНТУ, 2005. 76 с.
УДК 621.771
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕФОРМИРУЕМОЙ ПОЛОСЫ НА МОМЕНТ В ПРОЦЕССЕ ПРОКАТКИ КАТАНКИ*
Гарстка Т., Дыя Х., Кавалек A., Кочуркевич Б.
Ченстоховский Технологический Университет, Факультет Инженерии Производства и Технологии Материалов, ал. Армии Крайовей 19, 42-200 Ченстохова, Польша
Введение
Уже много лет увеличение производительности и улучшение качества были главными факторами, определяющими направления научных работ по производству катанки, а также развития систем управления и контроля [1-3]. Благодаря этому, современная прокатка такого сортамента составляет 100 т/час для одной жилы, конечная скорость прокатки - более 100 м/с при сохранении требований по геометрии, механическим свойствам и состоянию поверхности. Такие высокие параметры были достигнуты, благодаря, кроме всего прочего, введению в прокатный поток прокатных блоков [4]. На данный момент главным направлением в совершенствовании производства катанки является стремление к ограничению количества технологических операций, таких как отжиг или патентирование. Такой подход позволяет также снизить себестоимость готовой продукции, а также сделать ее производство более экологичным путем рационализации энергозатрат. На современных прокатных станах эти цели достигаются не только путем внедрения новых технологий [5], но и путем модернизации существующих, применяя возможности современных систем управления параметрами процесса прокатки и охлаждения полосы. Именно в этом направлении работают ученые кафедры обработки металлов давлением и инженерии производства, где на данный момент реализуется проект, целью которого является разработка новой, экологичной технологии производства катанки со свойствами, позволяющими исключить патентирование в процессе производства [6, 7]. Были проведены многочисленные исследования в промышленных условиях, которые заключались в измерениях энергосиловых параметров процесса прокатки [8]. Результаты исследований и их анализ являются важным источником информации для проведения математического моделирования процесса прокатки.
В работе представлены результаты исследований влияния колебания температуры по длине деформируемой полосы на суммарный момент прокатки в десятиклетьевом блоке в процессе производства катанки диаметром 5,5 мм из высокоуглеродистой стали марки C70D. Полученные результаты являются основой для усовершенствования существующей технологии производства данного типа катанки, так как мощности прокатки в исследуемом десяти-клетьевом прокатном блоке составляют 1/3 общей мощности прокатки катанки.
Научная работа была профинансирована из средств Национального центра исследований и развития 2013-2016 гг. в рамках проекта прикладных исследований № PBS2/A5/0/2013.
Характеристика процесса прокатки катанки
Технологический процесс производства катанки диаметром 5,5 мм в цехе, где проводились исследования, состоит из трех последовательных этапов [6-9]. Первый из них - черновая прокатка слитка квадратного сечения на непрерывном стане. В его состав входит три группы клетей (7, 6 и 4) в попеременном расположении H/V, между которыми установлены ножи. После прокатки диаметр катанки - 20 мм, скорость после выхода из последней клети -7 м/сек. На следующем этапе катанку деформируют в двух прокатных блоках, разработанных фирмой Morgan. Этот блок состоит из десяти пар валков (клетей) с малым диаметром, установленных попеременно под углом ± 45° к горизонтали [1]. В результате такой установки клети создают классическую конфигурацию H/V, что не требует кантовки полосы между калибрами овал-круг. Привод валков производится через сложную кинематическую систему, состоящую из отдельных приводных валов и ряда роликовых и угловых зубчатых колес и амортизаторов. Вся механическая система совместно с гидравлическими системами и системами охлаждения является цельной. Деформируемая полоса в этом блоке подается с большими степенями деформации, а скорость прокатки достигает 70 м/с.
Черновая прокатка проводится в четыреклетьевом блоке, который имеет конструкцию, подобную конструкции десятиклетьевого блока. В этом блоке в двух первых проходах проводится регулируемая прокатка, а в двух последних проводится регулировка формы и размеров полосы. Скорость деформации достигает 100 м/с. После этого блока полоса направляется на последний этап - формирование катанки в мотки и их охлаждение [6].
Для регулирования температуры полосы, а тем самым для влияния на свойства готового изделия используют установленные водные камеры с регулируемой подачей воды. Первый комплект таких камер установлен перед десятиклетьевым блоком, второй - между ним и четыреклетьевым блоком, а третий - перед сматывателем в мотки. Главной целью применения таких комплектов является снижение температуры полосы и недопущение ее роста в результате выделения тепла в процессе деформации.
Каждая прокатная клеть, как и прокатные блоки, приводится в действие индукционными двигателями переменного тока. Эти двигатели рассчитаны на питание токами высокой частоты [10], которые позволяют точно регулировать скорость прокатки. Большая точность управления и быстрая реакция на изменения момента нагрузки порядка миллисекунды, благодаря встроенному алгоритму инвенторов, позволяет использовать оцениваемые таким образом величины параметров, характеризующих работу двигателей как надежный источник данных и на их основании рассчитывать энергосиловые параметры процесса прокатки. Это особенно важно, с точки зрения измерения мгновенных величин таких, как сила или момент прокатки в промышленных условиях, когда часто нет возможности установки сложной системы измерений или проведения его калибровки. Расчет через сигнальный процессор инвен-тора мгновенных величин, характеризующих работу приводов, выводится в виде эквивалентных сигналов тока или напряжения, либо доступны через коммуникационную магистраль.
На стане, на котором проводились исследования, установлены две системы записи данных, которые, кроме данных с привода, записывают также информацию о температуре потоков среды и параметрах процесса прокатки. Первая из них, регистрирующая данные с периодом дискретизации - 20 мс, записывает данные с непрерывного стана, а вторая, с периодом дискретизации 50 мс - данные с двух прокатных блоков. Кроме того, при необходимости быстрой регистрации протекания изменений, есть возможность установки быстрого измерительного канала с частотой записи 1 или 2 мс со специальным ПО, которое подсоединяется с инвенторами непосредственно оптическим каналом. Структура систем записи данных для измерения энергосиловых параметров и температуры полосы, показана на рис. 1.
ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Рис. 1. Структура системы, в которой были проведены экспериментальные исследования
Результаты исследований
При проведении исследований были прокатаны четыре слитка длиной 7 метров из стали марки C70D с различными параметрами прокатки и охлаждения. Одним из переменных параметров была температура конца прокатки. Для этого на первом этапе управление температурой полосы регулировали путем изменения интенсивности охлаждения в первой секции водных камер (см. таблицу). В процессе исследований температуру полосы перед Тке и после Тку прокатки в десятиклетьевом блоке измеряли с помощью пирометров, включенных в измерительную систему. Запись температуры производилась синхронно с друшими измеряемыми величинами.
Так как изменение температуры полосы приводит к изменению величины энергосиловых параметров, характеризующих процесс прокатки [11], зарегистрирован также момент на приводном валке этого блока. Этот момент является суммой составляющих уменьшенного момента прокатки в каждом проходе и может быть выражен
= 2 —-, (1)
¿=1 пг
где М^10 - уменьшенный суммарный момент прокатки в десятиклетьевом блоке; М/ - неизвестный момент прокатки в /-том проходе; п - передаточное число привода до /-той клети
В измерительной системе, момент двигателя записывали как процентная величина его номинального момента.
Параметры проведенных экспериментов и моделирующие функции зависимости момента прокатки от температуры
Номер полосы
Средняя температура на входе в блок Тже
Г°С1
Средний суммарный момент прокатки
М1Ю [кНм]
Средняя температура на выходе из блока Т
Параметры апроксимирующей функции М = /(Т)
[°С]
жу
11
*0
Я
I
II
III
IV
866 881 880 898
34,8
33.8
33.9 32,5
1035 1042 1039 1048
-0,059 85,63
-0,066 91,86
-0,064 89,90
-0,060 85,96
Среднее значение
-0,062 88,37
0,9168 0,8305 0,8958 0,6093
Примерное изменение температуры деформируемой полосы и момента прокатки, зарегистрированное для I слитка представлено на рис. 2. Представленное изменение является презентативным также, с точки зрения остальных вариантов.
1020
<а 77 Р-о
я 1030 а §
2 о
3 "
« с 1040 1050
в)
п---1-•-1-•-1-•-1-■-V-
0 10 20 30 40 50
Время [с]
Рис. 2. Изменение температуры на входе и выходе из десятиклетьевого прокатного блока и нагрузка двигателей, выраженная через момент прокатки полосы
Анализируя распределение температуры поверхности полосы, подаваемой в десяти-клетьевой блок, видно, что температура изменяется по длине, кроме того, наблюдается цикличное охлаждение полосы. Такое поведение температуры является результатом процесса нагрева полосы, в процессе которого происходит попадание холодного воздуха в камеру нагревательной печи. Всякого рода неоднородности при нагреве слитка сохраняются во всем процессе прокатки. Неравномерный нагрев наблюдается также после процесса прокатки в десятиклетьевом блоке (см. рис. 2, в).
Колебания температуры полосы приводят к изменению значений энергосиловых параметров процесса. Этот эффект был проанализирован только для условий непрерывной прокатки прутков [11] и для стана прокатки катанки в работе [8].
Анализируя изменения момента прокатки (см. рис. 2, б) на фоне изменения температуры полосы на входе (см. рис. 2, а), можно сделать вывод о том, что характер кривых подобный. Рост момента прокатки связан со снижением температуры деформируемой полосы. Точный анализ монотонности изменений исходной температуры полосы и момента показала, что через 40 сек от момента начала регистрации, характер изменений меняется. Это связано с проведением автоматической корректировки технологических параметров (скорости) к концу прокатки. В связи с этим, данные после автоматической корректировки не были проанализированы. Кроме того, не приняты во внимание также данные по началу прокатки, когда процесс еще не был стабилизирован. Такой же подход был принят и для анализа результатов по оставшимся слиткам.
Оригинальные данные были обработаны путем пересчета момента, выраженного в процентах на истинные значения (кНм) и введения небольшого перемещения по времени между изменениями момента и температуры. Введение перемещения по времени проведено с целью компенсации в размещении в потоке стана пирометра и прокатного блока, а также опоздания во времени ответа преобразователя переменного тока на изменения нагрузки.
Для каждой полосы была определена моделирующая функция
= А • + А. (2)
На рис. 3 представлена примерная (для I полосы) форма облака данных, апроксимиро-ванных по функции (2) и расположение выпадов.
840 850 860 870 880 890
Температура полосы [°С]
Рис. 3. Зависимость суммарного момента прокатки в десятиклетьевом блоке
от температуры I полосы
Величины коэффициентов этого уравнения для каждой деформированной полосы представлены в таблице. На рис. 4 представлено изменение взаиморасположения апрокси-мированных функций изменения момента от температуры. Прямоугольником обозначены
63
пункты, соответствующие значениям средней температуры и момента для каждой полосы. Все эти данные в широком диапазоне (70 °С) расположены на одной прямой.
ас х
и S
Ен X Ф
S о S
36, 5-
36, 0 -
35, 5 -
35, 0-
34, 5 -
34, 0-
33, 5-
33, 0-
32, 5-
32, 0-
Ж]
i2h
........ полоса i
полоса ii
- полоса hi Ш,,
--------- полоса IV
840 850 860 870 880 890 Температура [0 С]
900
910
Рис. 4. Взаимное расположение апроксимирующих прямых зависимости момента прокатки от температуры полосы
С точки зрения оценки влияния температуры на суммарный момент прокатки, важным прежде всего является знание значения направляющего коэффициента функции, моделирующей эти изменения. При усреднении результатов для всех четырех вариантов принято значение -0,062 кНм/°с . Это соответствует 10 % приросту момента прокатки при снижении температуры полосы на 50 °C. Эти результаты подтверждают данные работы [8] .
Эти небольшие, на первый взгляд, изменения момента прокатки имеют дополнительное значение с экономической точки зрения и экологической перспективы потребления электроэнергии.
Подведение итогов
Был проведен анализ влияния температуры деформируемой полосы на суммарный момент прокатки в десятиклетьевом блоке в промышленных условиях. Благодаря колебаниям температуры в области от 840 до 910 °C удалось описать это влияние с помощью линейной функции.
Полученные результаты могут быть использованы при анализе математического моделирования процесса прокатки катанки с большими скоростями деформации, анализе поведения материала при больших скоростях деформации и анализе влияния модернизации технологии производства катанки с энергетической точки зрения.
Список литературы
1. Cooksley R. C., Jones D., Rolling of bar, rod and sections: steel // Metal technology. 1975. No 7-8 (2). Pp. 370-377.
2. Kiefer B. V., Keyzer P. L., Schafer K. L.: In-line material characterization measurements in high speed rod rolling mills, Proceedings of the International Symposium on advanced sensors for metals processing, 38th Annual Conference on Metallurgists of CIM, Quebec City, Quebec. 1999. August. Pp. 22-26.
3. Seki R., Nakajama K., Hasegawa K., Yoshimura K.: Making to high performance and productivity improvment of steel bar and wire rod rolling process, Nippon Steel Technical Report. 2007. No. 96. July. Pp. 21-28.
4. Brochure: Morgan Vee No-Twist® Mill, 06.2013, Siemens VAI Metals Technologies GmbH.
5. Kiefer B. V., Shore T. M.: Recent innovations in high speed rod and bars mills // Millenium Steel. 2007, Pp. 151-155.
6. Knapinski M., Koczurkiewicz B., Dyj a H., Kawalek A., Laber K.: The analysis of influence production conditions on properties of C70 5,5 mm diameter wire rod, Proceedings of METAL 2014, 21st - 23rd May 2014, Brno, Czech Republic
7. Дыя Х., Гарстка Т., Кочуркевич Б., Кавалек А. Влияние условий прокатки на структуру катанки из высокоуглеродистой стали // Труды международной научно-технической конференции «Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ'2014). 2013. С. 90-95.
8. Garstka T., Dyja H., Laber K., Koczurkiewicz B., Experimental study of the power parameters in rolling proces of high carbon steel wire rod // Oбработка мaтериaлoв давлeниeм. 2015. № 2(41). С.246-251
9. Laber K., Dyj a H., Kalamorz M., Analysis of the technology of rolling 5,5 mm-diameter wire rod of cold upseting steel in the morgan block mill, 11th International Symposium of Croatian Metallurgical Society „Materials and Metalllurgy" SHMD' 2014, June 22-26 Sibenik, Croatia, 2014
10. ACS 6000. Technical Catalog, ABB, 3BHS123322 ZAB E01 Rev. D, 18-09-2009, ABB Switzerland Ltd
11. Sygut P., Laber K., Mroz S., Dyj a H., Wplyw nierownomiernego rozkladu temperatury na dlugosci wsadu na parametry energetyczno-silowe podczas walcowania pr^tow okr^glych, Hutnik -Wiadomosci Hutnicze, No 9 (2010), 540-542, ISSN 1230-3534
УДК 621.771
ТЕНДЕНЦИИ РЫНКА ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ ЖЕСТЯНОЙ ТАРЫ И УПАКОВКИ В РОССИИ
Файзулина Р.В.
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия
Аналитические исследования структуры потребления жести показали, что она была и остается одним из самых используемых материалов в производстве тары под пищевые продукты. Например, в США ~ 65 %, в Европе ~ 46 %, в России ~ 78 %, в Корее ~ 78 %. По своему назначению жесть является стратегическим материалом, кроме того, привлекательность использования стальной упаковки состоит еще и в том, что она подлежит 100 % вторичной переработке. Одним из технологических аспектов производителей консервной тары является расширение собственного сортамента, в частности, замена старых видов упаковки. Тем не менее, сортамент потребления электролуженой жести как в мире, так и в России, расширяется. Производители консервной продукции постоянно находятся в поиске обеспечения рационального использования своих изделий, а также в производстве новых видов продукции (укупорочной тары).
В этом направлении наиболее заметны средства укупорки - крышки типа «Twist-off», обеспечивающие возможность легкого вскрытия упаковки и надежного хранения не полностью использованного продукта; крышка ЛВК (или, как ее называют зарубежные производители «Easy Open End»); в части консервной тары - прямоугольные и конусные банки, цельнотянутые банки. Этим же стремлением определяется необходимость повышения степени использования жести (рулонная продукция, широкий раскрой, фигурный рез (скролл-рез),
