CC BY
39
Раздел 2
МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 621.771
Э.А. Гарбер
ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет»
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ ЧЕРЕПОВЕЦКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА «ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ПРОКАТКИ»
В сортаменте, технологии и оборудовании прокатного производства в последние десятилетия XX века произошли крупные изменения.
В листопрокатном производстве освоены новые марки сталей, уменьшилась толщина горячекатаных и холоднокатаных полос, появились новые эффективные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), ужесточились требования к качеству продукции. Для их выполнения усовершенствованы конструкции рабочих клетей: они оснащены новыми средствами регулирования размеров и формы проката. Все эти изменения повлияли на структуру очагов деформации, в которых возросла протяженность упругих участков и изменилось соотношение между длинами зон отставания и опережения.
В сортопрокатном производстве также расширился марочный и размерный сортамент, при этом передовые заводы начали прокатывать сортовые профили из непрерывно-литой заготовки, что потребовало разработки новых методов анализа формоизменения металла.
Указанные изменения не могли быть учтены в классической теории прокатки, созданной в XX веке выдающимися отечественными и иностранными учеными: А.И. Целиковым, А.А. Королевым, В.С. Смирновым, А.П. Чекмаревым, И.М. Павловым, С.И. Губкиным, П.И. Полухиным, Е.С. Рокотяном, М.М. Сафьяном, А.П. Грудевым, В.Л. Робертсом, В. Тринксом, С. Экелундом, А. Надаи, Ш. Гелеи, В. Луэгом, и их учениками.
Развитие основных положений классической теории и создание основ новой теории листовой и сортовой прокатки осуществляются нашей научной школой в рамках следующих направлений:
- разработка усовершенствованных математических моделей взаимосвязанных технологических, энергосиловых и конструктивных параметров процессов горячей и холодной прокатки;
- разработка новых методов моделирования процесса дрессировки и энергосиловых параметров дрессировочных станов;
- моделирование и совершенствование процессов формоизменения сортовых профилей, прокатываемых из непрерывно-литых заготовок.
В условиях изменившихся сортамента и технологии прокатного производства возникли некоторые проблемы, относящиеся к эксплуатации прокатных станов. Освоение прокатки полос из новых, более прочных марок сталей, в совокупности с уменьшением их толщины, увеличило тепловыделение в очагах деформации, что потребовало усовершенствования методов моделирования теплового режима и систем охлаждения рабочих клетей. Кроме того, в рабочих клетях возникли вибрационные процессы, нарушающие стабильность технологии, обострилась проблема стойкости прокатных валков. В
классических теориях не рассматривались методы прогнозирования развития конструкции прокатных станов в зависимости от развития сортамента и технологии.
Для решения указанных проблем наша научная школа разрабатывает новые методы моделирования и эксплуатации оборудования прокатных станов. Эти разработки выполняются по следующим направлениям:
- разработка усовершенствованных математических моделей теплового режима и охлаждения валков и полосы на непрерывных широкополосных станах горячей и холодной прокатки;
- моделирование и экспериментальное исследование вибрационных процессов в рабочих клетях широкополосных станов;
- моделирование напряженно-деформированного состояния прокатных валков, разработка новых методов повышения их стойкости и эксплуатационной надежности;
- прогнозирование развития конструкции прокатных станов, в зависимости от изменений сортамента проката, требований к его качеству и тенденций технического прогресса прокатного производства.
Выполненные в рамках указанных выше направлений исследования послужили основой для разработки новых методов усовершенствования и оптимизации технологических режимов прокатки. Задачи этих разработок - повышение качества проката, экономия энергии при его производстве. Эти задачи решаются в рамках следующих тем:
1) исследование и моделирование влияния факторов технологических процессов прокатки на характеристики качества листов и сортовых профилей;
2) моделирование взаимосвязи между режимами прокатки и расходом энергии на прокатных станах;
3) моделирование и экспериментальное исследование процессов трения 1-го и 2-го рода в рабочих клетях прокатных станов.
Ниже кратко охарактеризованы наиболее значительные научные результаты перечисленных исследований и разработок.
1. Разработаны, апробированы в промышленных условиях и опубликованы новые математические модели процессов горячей, холодной прокатки и дрессировки полос, включающие энергосиловые параметры этих процессов.
Основные отличия этих моделей от известных классических состоят в следующем:
- расчет энергосиловых параметров процессов холодной и горячей прокатки широких полос основан на упруго-пластической модели напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации;
- при определении мощности прокатки учитывается противоположное направление касательных сил в зонах отставания и опережения очага деформации;
- при расчете мощности и момента главных двигателей рабочих клетей достоверно определяются затраты энергии на трение качения.
Указанные отличия обеспечили достоверный расчет энергосиловых параметров процессов прокатки и дрессировки со средней погрешностью 5-7 %, максимальной - 10-12 %, что в 5-6 раз меньше, чем при расчете по классическим методикам.
2. Моделирование структуры очагов деформации и энергосиловых параметров станов с помощью новых моделей позволило установить ряд существенно важных закономерностей процессов прокатки и дрессировки, ранее не известных и не рассматривавшихся в классических трудах по теории пластической деформации и прокатки.
Наиболее значительные из них:
2.1. На современных станах холодной прокатки, использующих эффективные смазочно-охлаждающие жидкости новых поколений, зоны прилипания в очагах деформации рабочих клетей полностью отсутствуют.
2.2. В противоположность станам холодной прокатки на широкополосных станах горячей прокатки основную часть длины очагов деформации занимают зоны прилипания:
- в чистовых клетях: 83-90 % длины;
- в черновых клетях: 98-99 % длины.
2.3. В зоне прилипания, вместо трения скольжения, между полосой и валками действует трение покоя, поэтому расчет энергосиловых параметров станов горячей и холодной прокатки должен выполняться с использованием принципиально разных моделей контактного трения:
- при холодной прокатке напряжения трения зависят от коэффициента трения скольжения;
- при горячей прокатке напряжения трения зависят от сопротивления чистому сдвигу материала полосы и от положения нейтрального сечения в очаге деформации.
2.4. При горячей прокатке в очаге деформации всегда есть нейтральное сечение, а длина зоны отставания не превышает 74 % длины пластической области. При холодной прокатке относительная длина зоны отставания составляет 64-100 %, то есть впервые установлено, что имеются такие очаги деформации, в которых зона опережения и нейтральное сечение отсутствуют. Более того, на станах холодной прокатки имеются очаги деформации с двумя нейтральными сечениями (второе - на участке упругого восстановления части толщины полосы). Подобные очаги деформации в классических моделях процессов прокатки не рассматривались, методы их идентификации отсутствовали.
2.5. При горячей прокатке мощность, затрачиваемая на трение качения в межвалковом контакте, составляет 29-68 % от суммарной мощности двигателей рабочих клетей, при холодной прокатке - до 48 %.
2.6. Установлено, что от положения нейтрального сечения в очаге деформации зависят чистота поверхности полосы и расход энергии при прокатке: с увеличением длины зоны отставания повышается чистота поверхности полосы и увеличивается расход энергии.
Эти закономерности, объясненные противоположным направлением касательных сил в зонах отставания и опережения, впервые обнаружены и доказаны в работах нашей научной школы.
3. Разработаны, апробированы в промышленных условиях и опубликованы следующие новые математические модели, характеризующие режимы эксплуатации оборудования рабочих клетей листовых станов.
3.1. Математическая модель, определяющая взаимосвязь технологических, энергосиловых параметров стана с вибрационными процессами в рабочих клетях. Ее отличие от известных (зарубежных) моделей состоит в том, что, вместо того чтобы рассматривать клеть как вибрационную систему, сформулированы условия, исключающие возникновение в клети резонансных вибраций.
3.2. Математическая модель напряженного состояния опорных валков, подвергнутых поверхностному упрочнению. В отличие от известных она позволяет определить степень упрочнения и запас усталостной прочности валка в функции режима его упрочнения и исходной твердости бочки.
3.3. Комплекс новых балансных математических моделей теплового режима и систем охлаждения листовых станов. Отличия их от известных состоят в том, что тепловыделение учитывается в них с помощью новых моделей энергосиловых параметров, охарактеризованных выше.
3.4. Математическая модель формирования плоскостности холоднокатаных полос под воздействием факторов технологических процессов.
Многие из научных результатов, полученных коллективом научной школы, были реализованы в действующем производстве путем усовершенствований технологических процессов прокатки и методов эксплуатации прокатного оборудования, в результате чего был получен реальный экономический эффект.
По результатам работ научной школы в 2000-2007 гг. защищено 8 кандидатских диссертаций, готовятся к защите докторские диссертации. В общей сложности за этот период опубликовано 2 книги и около 60 статей. Основные научные публикации за последние 3 года (2005-2007 гг.) приведены в списке литературы к данной статье.
Список литературы
1. Гарбер Э.А. Распределение контактных напряжений по длине очага деформации при прокатке тонких широких полос // Производство проката. - 2005. - № 5. - С. 3-12.
2. Гарбер Э.А. Производство проката: Справочное издание. Т. 1. Кн. 1. Производство холоднокатаных полос и листов (сортамент, теория, технология, оборудование). - М.: Теплотехник, 2007. - 368 с.
3. Гарбер Э.А., Ганичев Р.Н., Кожевникова И.А., Иводитов В.А., Трайно А.И. Развитие методов настройки скоростного режима непрерывных широкополосных станов // Металлы. - 2005. - № 3. - С. 43-50.
4. Гарбер Э.А., Болобанова Н.Л., Трайно А.И., Дилигенский Е.В. Энергосиловые параметры шестивалковых клетей широкополосных станов // Металлы. - 2007. - № 2. - С. 50-60.
5. Гарбер Э.А., Самарин С.Н., Трайно А.И., Ермилов В.В. Моделирование трения качения в рабочих клетях широкополосных станов // Металлы. - 2007. - № 2. - С. 36-43.
6. Гарбер Э.А., Шалаевский Д.Л., Кожевникова И.А., Трайно А.И. Моделирование напряженного состояния полосы при холодной прокатке в очаге деформации с двумя нейтральными сечениями // Металлы. - 2007. - № 4. - С. 41-53.
7. Гарбер Э.А., Кожевникова И.А., Тарасов П.А. Уточненный расчет мощности двигателей главного привода широкополосных станов горячей прокатки // Производство проката. - 2007. - № 10. - С. 5-12.
8. Гарбер Э.А., Шебаниц Э.Н., Дилигенский Е.В., Побегайло О.А., Медведев Н.П. Оптимизация структуры очагов деформации на стане 1700 // Сталь. - 2007. - № 1. - С. 48-51.
9. Garber E.A., Kozhevnikova I.A., Tarasov P.A., Zavrazhnov A.A., Traino A.I. Simulation of Contact Stresses and Forces during Hot Rolling of Thin Wide Strips with Allowance for a Stick Zone and Elastic Regions in the Deformation Zone // Russian Metallurgy. -Vol. 2007. - No 2. - P. 112-119 (Изд. США).
10. Гарбер Э.А., Кожевникова И.А., Трайно А.И., Кузнецов В.В., Павлов С.И. Новые методы моделирования процессов холодной прокатки, обеспечивающие улучшение качества холоднокатаных листов, экономию энергии и увеличение скорости непрерывных станов. Novel Methods for Cold Rolling Process Modeling, Providing Cold Rolled Strip Quality Improvement, Energy Savings and Continuous Mill Rolling Speed Increase // Машины, технологии, материалы (международный журнал) Machines, Technologies, Materials (international journal). - 2007. - № 2-3. - С. 108-111.
11. Гарбер Э.А., Ганичев Р.Н., Кожевникова И.А. Совершенствование настройки скоростного режима непрерывных станов холодной прокатки // Производство проката. - 2005. - № 4.
12. Луценко А.Н., Монид В.А., Гарбер Э.А., Трайно А.И., Виноградов А.И. Технологические особенности производства сортового проката из непрерывно-литых заготовок // Производство проката. - 2005. - № 1.
13. Гарбер Э.А., Виноградов А.И., Трайно А.И., Максимов С.В. Исследование технологии волочения титановой проволоки с высоким качеством поверхности // Производство проката. - 2005. - № 10.
14. Гарбер Э.А., Ермилов В.В. Установка и методика экспериментального исследования трения качения в межвалковом контакте рабочих клетей листовых станов // Производство проката. - 2005. - № 2.
15. Гарбер Э.А., Тимофеева М.А., Кожевникова И.А., Кузнецов В.В. Методика расчета энергосиловых параметров процесса дрессировки // Производство проката. - 2005. - № 5.
16. Гарбер Э.А., Тимофеева М.А., Трайно А.И., Кожевникова И.А. Моделирование энергосиловых параметров дрессировочных станов // Металлы. - 2006. - № 2.
17. Гарбер Э.А., Гусаров В.О., Иводитов В.А., Трайно А.И., Кузнецов В.В. Исследование и моделирование теплового режима непрерывного стана холодной прокатки // Металлы. - 2005. - № 1. - С. 48-57.
18. Garber E.A., Bolobanova N.L., Traino A.I., Diligenskii E.V. Energy-Force Parameters of Six-High Stands in Wide-Strip Rolling Mills // Russian Metallurgy. - Vol. 2007. - No 1. - P. 41-50 (Изд. США).
19. Гарбер Э.А., Самарин С.Н., Ермилов В.В., ТрайноА.И. Исследование трения качения в рабочих клетях кварто на натурной модели валкового узла // Металлы. - 2007. - № 3. - С. 27-32.
20. Garber E.A., Shalaevskii D.L., Kozhevnikova I.A., Traino A.I. Simulation of the State of Stress in a Strip in a Deformation Zone with Two Neutral Sections during Cold Rolling // Russian Metallurgy. - Vol. 2007. - No 4. - P. 41-53 (Изд. США).
21. Garber E.A., Samarin S.N., Traino A.I., Ermilov V.V. Simulation of Rolling Friction in the Working Stands of Wide-Strip Mills // Russian Metallurgy. - Vol. 2007. - No 2. - P. 36-43 (Изд. США).
