К вопросу формирования качества сортового проката на основе моделирования температурного режима в потоке проволочного стана Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Анализ полученных результатов показал, что при температурах отжига 800-850 °С, сопротивление деформации <rs снижается на 15-20 %.

Список литературы

1. Ульянин Е.А. Коррозионностойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1980. 208 с.

2. Кроха В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной пластической деформации. М.: Машиностроение, 1968. 131 с.

3. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

4. Богатов A.A., Межерицкий О.И., Смирнов C.B. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.

5. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. М.: Металлургия, 1960. 458с.

УДК 621.771.25

К ВОПРОСУ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА СОРТОВОГО ПРОКАТА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА В ПОТОКЕ ПРОВОЛОЧНОГО СТАНА

Шубин И.Г., Шубина Н.И.

ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И.Носова», г. Магнитогорск, Россия

Разработка технологии прокатки металла с заданным комплексом свойств обычно осуществляется на базе выполнения обширных экспериментальных лабораторных и промышленных исследований. Для массового внедрения в практику рациональных технологических процессов производства прокатной продукции требуемый объем экспериментов становится настолько значительным, что его реализация является затруднительной. Как следствие, появляется необходимость разработать аналитический метод расчета оптимальных параметров технологического процесса прокатки, обеспечивающих получение заданного комплекса свойств готового проката и изделий из него [1].

Важнейшей технической характеристикой прокатного стана, во многом определяющей условия реализации устойчивого процесса производства, является температурный режим прокатки. Температурный режим тесно взаимосвязан с деформационным и скоростным режимами и определяется конструктивными особенностями стана: схемой расположения основного технологического оборудования, техническими характеристиками его основных агрегатов - нагревательных печей, рабочих клетей и вспомогательного оборудования.

Компактное расположение рабочих клетей и высокие скорости прокатки обусловили специфический характер изменения температуры прокатываемой полосы по длине современных непрерывных среднесортных, мелкосортных и мелкосортно-проволочных станов. В черновых группах клетей и части промежуточных групп происходит значительное снижение температуры прокатываемого металла (от 1100 - 1200 до 900 - 950 °С), а затем температура раската начинает расти за счет деформационного разогрева [2]. В связи с этим, особую роль в формировании характеристик качества готового проката играет характер изменения температурного поля, а также абсолютные значения температуры металла в поперечном и продольном его сечениях, что особо заметно не только при производстве легированных марок стали и стали специального назначения, но и высокоуглеродистых, используемых в метизной промышленности.

К высокоуглеродистой катанке для канатов и металлокорда, помимо требований к особой чистоте стали по вредным примесям и остаточным элементам, предъявляются особые требования к таким показателям качества, как: равномерная микроструктура, минимальная глубина обезуглероженного слоя и комплекс механических свойств, сочетающий высокую прочность и пластичность.

Достижение требуемого уровня перечисленных показателей качества, а также стабильности их воспроизводства в потоке стана обеспечивается соответствием температурно-деформационным режимам прокатки и предъявляет высокие требования к точности регулирования температурой раската по длине стана [3, 4].

Поэтому создание математической модели температурного режима мелкосортно-проволочного стана, учитывающей специфику его основного и вспомогательного оборудования, технические характеристики его основных агрегатов и другие факторы, является задачей, имеющей научное и прикладное значение.

Одна из составляющих задач моделирования заключалась в определение факторов, оказывающих существенное влияние на показатели качества, решение которой проводилось на основе построения статистических (регрессионных) моделей [5, 6]. Разработанные модели позволили определить не только значимые факторы, но и позволили оценить влияние этих факторов на показатели качества.

Как показал анализ результатов этих исследований [5], можно выделить факторы, которые оказывают влияние на все показатели качества - это углеродный эквивалент и фактор скорости охлаждения раската, а также факторы, влияющие на отдельные показатели качества, такие как температура раската на различных участках прокатного стана. Включение указанных факторов в математическую модель позволяет достаточно полно учитывать особенности технологического процесса, повышая её эффективность.

Анализ работ выявил некоторые очевидные несоответствия реальному процессу в рамках изучаемого вопроса. Так, например, принимается, что температурное поле в заготовке до деформации однородно, т.е. заготовка на выходе из печи имеет во всех точках своего поперечного сечения одинаковую температуру, равную среднемассовой.

Однако проведенные нами и другими авторами расчеты [7] показали, что на самом деле нагрев заготовок в печи сопровождается значительной неравномерностью температур в поперечном сечении, что, безусловно, играет значительную роль при дальнейшей прокатке и в построении математической модели температурного поля проката.

Условно процесс создания предполагаемой модели может быть разбит на три этапа. На первом этапе производилось моделирование нагрева исходной заготовки в нагревательной печи. На втором этапе рассматривался процесс прокатки от выдачи металла из печи до завершения деформации, т.е. до выхода металла из чистовой клети стана. На третьем - рассматривается охлаждение проката после чистовой клети в потоке на линии ускоренного охлаждения.

Принимая в качестве исходной температуру нагрева под прокатку, последовательно от прохода к проходу (от клети к клети), определяется изменение (падение или рост) температуры от влияния слагаемых теплового баланса. Уравнение температурного баланса раската при этом имеет вид

^ т п

* 0 -

= 0, (1)

* к + , У

]=1 •=1

где *0 - исходная температура нагрева заготовок (температура начала прокатки); *к - темпе-

т п

ратура конца прокатки; ^^ , у - сумма всех изменений температуры раската за счет

у=11=1

изменения 1 статей теплового баланса нау-ом участке прокатного стана; т - количество расчетных участков, на которые условно делится прокатный стан; п - количество статей температурного баланса.

Тепловые воздействия на металл при прокатке периодически повторяются в виде интенсивного охлаждения поверхностных слоев полосы при контакте с валками с одновременным нагревом ее за счет выделения внутренней теплоты деформации и теплоты внешнего трения, а также в виде охлаждения полосы на воздухе при движении её в межклетьевых промежутках.

Сумма всех изменений температуры раската складывается из следующих составляющих:

- приток тепла: за счет работы, затрачиваемой на пластическую деформацию металла; тепловыделения на контакте металла валками, в связи с преодолением сил трения, а также увеличение температуры поверхности раската за счет экзотермических реакций окисления при движении раската по стану;

- потери тепла: в окружающее пространство за счет излучения; отдача тепла омывающему полосу воздуху за счет конвекции; охлаждение прокатываемого металла за счет попадания на его поверхность охлаждающей валки жидкости и отдача тепла посредством теплопроводности при соприкосновении с валками.

Обобщая воздействие указанных составляющих можно отметить, что первая группа вызывает практически мгновенный скачок температуры в зеве валков, а вторая - падение температуры полосы при её продвижении через стан.

Решение задачи описания теплового состояния раската с выбранным видом граничных и начальных условий было реализовано численным методом на основе уравнения теплопроводности (2) с использованием ЭВМ

Ж (х, у,т)_

с

1 \ 1 /' 1 \ 1

дт

_д_ дх

к

Т )дт< у,т)

1 дх

+

д_ ду

л(т)

дТ 11 (х, у, г)"

ду у

(2)

Используя конечно-разностную схему в декартовой системе координат, получили:

дт _ ткг - т к;.

дт

Ат

(3)

д_ дх

' дТ^ \ —

V дх у

дк дт 0 а2т

— —+Л —г

дх дх дх

грк ОТ^к

1+1,; "г; ^1+1,; ^1,; , лк т 1-1,; _ 2т1,; + т 1+1,; .

^к ^к т к т к

Ах Ах 1,1

Ах1

(4)

д_ ду

г 1 т

я-

V аУ у

д1 дт 0 д2т

---+ Я

ду ду 1 ду2

-лк,; т+и - тк;. тк т-1,; - 2тк,+т

- + л

Ау

Ау

к ^тк грк

1 1 ,1 + т+1,1

,;

Ау2

Начальное условие запишем в виде

С = / 0, ¿0}

Тогда после упрощения решение уравнения (2) примет вид

Т

к+1 = Ат

г'7 ск рк

1, 7 'г, 7

^1,7 Т*7 - Т^ 7 7 - ^ )

Ах2

+

+

<,(й-+1 - тк)+к, (т1,-1 - к,)

Ду2

+ Т-,.

(6)

Шаблон схемы представлен на рис. 1.

Рис. 1. Шаблон явной конечно-разностной схемы для решения уравнения теплопроводности

В плоскости поперечного сечения заготовки введем сеточную функцию Т(1,],к) со значениями температуры в каждой точке. Требуется при известных значениях сеточной функции на к-ом слое найти значение на к+1-м слое. Выполним замену частных производных конечными разностями для ближайших слоев по формулам. Тогда граничные условия примут вид:

Лх -^к+1 / \ Лх -^к+1

Т

к+1

0, ]

грк+1 _

Т1,7

' аЫ (тк+1 _ ттк+1 "у

яТтХТ7 им 1

Т

к+1

n, 7

Т

к+1

п 1, ]

'ам (тк+1 _ ттк+1

л{тк+1 ) "~1,7

грк+1 _ грк+1 _

1 1,0 ~ 1 1,1

А* -«м Тк+1 _ ГТк+1 \

Т

к+1

Лх -ак+1

Тк+1 _ ^ иМ

1,п

(Тк+1 _т тк+1 |

Т 1 ,п и у Г

(7)

На основе разработанной математической модели и её алгоритма расчета создан программный продукт по расчету температурного режима прокатки на сортовом стане.

Разрабатываемая математическая модель позволяет учитывать как физические свойства прокатываемого металла, так и технологические особенности процесса прокатки (количество и продолжительность междеформационной паузы, историю предшествовавшего паузе деформирования, условия контакта и т.д.).

Алгоритм определения температуры металла по длине стана представлен на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм определения температуры металла по длине стана

Цикличность процессов изменения температуры раската в потоке (прирост и отдача тепла) и количество проводимых операций, определяемых конструкцией прокатного стана и условиями деформирования, позволяет варьировать значения температур в реперных точках (точки контроля температуры раската в потоке стана). Знание температуры раската, и величины ее изменения, в контролируемых точках по длине стана позволяет прогнозировать значения показателей качества катанки и при необходимости проводить корректирующие действия. Решение обратной задачи позволяет корректировать температурно-деформационный режим прокатки, что обеспечивает получение заданных значений показателей качества.

В основе математических моделей применяют программное средство, которое предназначено для использования в операционной системе Windows в интегрированной среде визуального программирования Borland С++ Builder 5, на языке программирования C++, с использованием объектно-ориентированного подхода.

Проверка адекватности математической модели, с использованием разработанного программного средства автоматизированного расчета, проводилась путем сравнения расчетных данных и данных, полученных на действующем мелкосортно-проволочном стане.

При выполнении расчетов (рис. 3) были приняты некоторые допущения: теплоемкость, плотность и коэффициент излучения приняты в соответствии с фактической температурой металла; на поверхности металла предполагается наличие слоя окалины, что определяет наличие теплового сопротивления в зоне контакта полоса - валок; глубина проникновения тепла экзотермических реакций окисления в тело полосы не превышает (0,20-0,30)^.

Рис. 3. Температурный режим прокатки катанки диаметром 5,5 мм из стали марки 70 при расчете по различным вариантам разработанной методики: 1 - расчет по варианту № 1; 2 - расчет по варианту № 2;

3 - расчет по варианту № 3; 4 - данные промышленного эксперимента

Адекватность разработанной модели проверена методом сравнения экспериментальных данных о температуре раската в линии конкретного прокатного стана с её значениями, полученными на основе расчетов с использованием разработанной модели. В данном случае вариант расчета изменения температуры № 3 показал наилучшую сходимость, при этом максимальная разность расчетных и экспериментальных данных составляет 8 %.

Полученная погрешность результатов расчета позволяет использовать разработанную модель для прогнозирования температуры раската в условиях конкретного производства. Представляется целесообразным дальнейшее совершенствование полученной модели в направлении учёта изменения значений температуры в поперечном и продольном направлении раската. Это позволит повысить точность модели, а также управлять качеством готовой продукции.

В целом, разработанная модель может быть применена в качестве инструмента аналитического исследования режимов прокатки, как на действующих прокатных станах, так и при проектировании новых.

Список литературы

1. Осадчий В.А., Герман О.Ю. Моделирование процесса сортовой прокатки с использованием информационных технологий // Известия вузов. Черная металлургия. 2001. № 7. С. 39-42.

2. Деформационное тепловыделение в очаге деформации рабочей клети прокатного стана / С.М. Жучков, А.П. Лохматов, Л.В. Кулаков, Э.В. Сивак // Известия вузов. Черная металлургия. 2001. № 5. С. 23-29.

3. Особенности автоматизированного проектирования режимов прокатки на ШСГП при решении задачи обеспечения стабильности контрольных параметров процесса и полосы / М.И. Румянцев, И.Г. Шубин, А.О. Попов, В.И. Шурыгин // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 4 (40). С. 42-45.

4. Румянцев М.И., Шубин И.Г., Митасов B.C., Насонов В.В. Сравнение методов прогнозирования деформационного упрочнения металла при автоматизированном проектировании режимов холодной прокатки // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 2 (38). С. 39-42.

5. Шубин И.Г., Румянцев М.И., Некрасов С В., Шубина Н И., Попов А О. К вопросу оценки влияния технологических факторов процесса прокатки на стане 170 ОАО «ММК» на показатели качества канатной катанки // Обработка сплошных и слоистых материалов. Вып. 36: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. М.В. Чукина. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С. 7-14.

6. Шубин И.Г., Румянцев М.И., Бородина E.H. Оценка результативности и стабильности производства грузоподъемных канатов // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. № 6. С. 46-48.

7. Выдрин В.Н., Федосиенко A.C., Крайнов В.И. Процесс непрерывной прокатки. М.: Металлургия, 1970. 456 с.

УДК 004.42:669

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ УЧЕБНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НОВЫХ СТАНДАРТОВ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ»

Валько Д.В.

Южно-Уральский институт управления и экономики, г. Челябинск, Россия Южно-Уральский многопрофильный колледж, г. Челябинск, Россия

Постановка проблемы

Одной из важных проблем в области профессионально-технического образования является отсутствие по значительной части технических специальностей современных проблемно-ориентированных учебно-исследовательских комплексов сопряженное с недоступностью для образовательных организаций специализированного отраслевого программного обеспечения, в том числе отсутствием его бесплатных учебных аналогов. Целью работы является анализ требований и разработка программного продукта, ориентированного на использование студентами среднего профессионального образования по специальности 22.02.05 «Обработка металлов давлением» для приобретения ими профессиональных компетенций, необходимых работнику сферы металлургической промышленности.

Результаты

Сформулированы критерии и требования к программным решениям в области обучения технологическим процессам обработки металлов давлением, выполнен анализ наиболее пригодных программных продуктов, в том числе систем автоматизированного проектирования и моделирования, отмечены их достоинства и недостатки. Разработан программный продукт для моделирования технологических процессов обработки металлов давлением в части