CC BY
92
' п
^^ Журнальный проект
«Научные школы в области обработки металлов давлением»
УДК 621.771
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СТАНОВ (научный обзор)
Гарбер Э.А.
ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», Россия
1. Состояние проблемы
В листопрокатных цехах металлургических предприятий России в последние десятилетия возникли проблемы, связанные со следующими тенденциями развития отечественной и мировой экономики:
1) рост требований к показателям качества тонких листов (механическим свойствам, точности размеров, плоскостности, чистоте поверхности);
2) необходимость экономии всех видов ресурсов, уменьшения себестоимости продукции.
Под воздействием этих тенденций в сортаменте, технологии и оборудовании действующих широкополосных станов произошли большие изменения. К их числу относится уменьшение освоенной толщины как горячекатаных, так и холоднокатаных полос.
На ряде широкополосных станов горячей прокатки освоили производство стальных полос толщиной до 0,8-1,2 мм, ранее относившихся к сортаменту широкополосных станов холодной прокатки.
На широкополосных станах холодной прокатки, предназначенных для производства холоднокатаных полос толщиной до 0,5 мм автомобильного и конструкционного сортамента, освоили прокатку полос толщиной до 0,2-0,3 мм, не предусмотренных паспортными характеристиками этих станов, с жесткими допусками по разнотолщинности и плоскостности.
В связи с отмеченными изменениями сортамента и возросшей конкуренцией на мировом рынке проката, перед технологами листопрокатных цехов были поставлены следующие задачи:
1. Чтобы выполнить возросшие требования к точности размеров и плоскостности полос, возникла необходимость увеличения точности расчета режимов прокатки. Эти расчеты
основывались на классических методах теории прокатки, разработанных в 40-70-х годах 20 века применительно к сортаменту и технологии того периода [1-7].
2. Уменьшение освоенной толщины полос привело к росту обжатий на действующих станах, что вызвало увеличение сил прокатки и расхода энергии, при этом в ряде случаев нагрузка на узлы рабочих клетей и мощность двигателей главного привода повысились до значений, не предусмотренных паспортными характеристиками оборудования. Необходимо было проанализировать точность классических методов энергосилового расчета, оценить их пригодность для изменившихся условий работы станов. Это связано с тем, что при прокатке тонких полос в очагах деформации рабочих клетей, наряду с пластическими зонами, имеются упругие участки, причем с уменьшением толщины полосы протяженность упругих участков увеличивается. В большинстве известных методик при расчете контактных напряжений в упругих участках используется уравнение пластичности, то есть не учитывается тот факт, что это уравнение применимо только для пластической зоны очага деформации.
Данные о том, какую погрешность вносит в энергосиловой расчет допущение о применимости уравнений пластичности к упругим участкам очага деформации, в литературе отсутствовали. Между тем, при горячей прокатке наиболее тонких полос длина упругих участков достигает 18-30 %, а при холодной прокатке - 50 % и более от общей длины очага деформации, поэтому данный вопрос в новых условиях приобрел большую актуальность.
3. Нуждались в анализе и уточнении методики учета напряжений контактного трения в очагах деформации. В большинстве известных методов энергосилового расчета станов горячей прокатки не учитывалось то обстоятельство, что преобладающую часть длины очага деформации в рабочих клетях этих станов занимает зона прилипания, в которой отсутствует проскальзывание полосы относительно валков. Поэтому контактные напряжения в этой зоне зависят не от коэффициента трения, а от сопротивления сдвигу материала полосы.
На станах холодной прокатки, напротив, вся протяженность очага деформации находится в зоне трения скольжения, однако все известные формулы для расчета коэффициента трения скольжения не учитывали большого влияния на него предела текучести полосы, изменяющегося из-за наклепа.
4. Наконец, в большинстве методик энергосиловых расчетов станов горячей прокатки использовались устаревшие модели теплового режима: комплексная модель, позволяющая достоверно вычислять температуры полосы и валков в функции технологических параметров стана и управляющих воздействий системы охлаждения, в литературе отсутствовала.
В сумме из-за всех указанных причин погрешности энергосиловых расчетов процессов прокатки наиболее тонких полос достигали 30-40 % и более. Мы убедились в этом, обработав сотни данных о параметрах прокатки, полученных из АСУТП действующих широкополосных станов.
Решать задачи повышения качества тонких полос и совершенствования технологии широкополосных станов с использованием методик энергосилового расчета, дающих такие большие погрешности, было невозможно.
2. Новые решения в теории и технологии тонколистовой прокатки
Начиная с 2000 года, ученые научной школы прокатчиков Череповецкого государственного университета совместно со специалистами предприятий выполнили комплекс теоретических, экспериментальных и промышленных исследований процессов горячей и холодной прокатки на широкополосных станах. Теоретические исследования велись путем разработки математических моделей взаимосвязанных технологических, конструктивных и энергосиловых параметров широкополосных станов, базирующихся на методах механики сплошной среды, теорий упругости и пластичности. В развитие этих научных положений для решения ряда задач теории и технологии прокатки мы применили численные методы, в частности, метод конечных элементов.
Наиболее существенные новые положения разработанных моделей в кратком изложении состоят в следующем [8-15]:
1. Напряжения в очаге деформации рабочей клети широкополосного стана определяют отдельно на каждом участке: упругого сжатия, пластической деформации и упругого восстановления части толщины полосы.
2. На упругих участках вместо условия пластичности для расчета напряженного состояния полосы используют уравнения упругости.
3. Достоверно определяют протяженности упругих и пластического участков, а также координату границы между зонами отставания и опережения (нейтрального сечения).
4. Найдены статистически достоверные алгоритмы и численные значения коэффициентов трения и напряжений трения в очагах деформации, учитывающие специфику контактных условий горячей и холодной прокатки, при этом впервые установлено, что при холодной прокатке коэффициент трения существенно зависит от предела текучести прокатываемой полосы: уменьшается по мере возрастания предела текучести из-за наклепа.
5. При расчете затрат энергии доказано, что валки совершают полезную работу только в зоне отставания и только касательными силами, а в зоне опережения полоса возвращает валкам часть затраченной энергии.
6. Установлено, что на станах холодной прокатки, в зависимости от соотношения параметров технологического режима, могут быть очаги деформации, состоящие только из зоны отставания (без нейтрального сечения), а также с двумя нейтральными сечениями (второе -на участке упругого восстановления части толщины полосы).
7. При расчете момента и мощности двигателей главного привода рабочих клетей отказались от эмпирических коэффициентов и достоверно определили затраты энергии на вращение холостого опорного валка, в том числе их основную часть - потери на трение качения.
8. Для расчета с минимальной погрешностью поперечного профиля прокатываемой полосы, формирующегося под воздействием упругих, тепловых деформаций и профилировок валков, впервые применен метод конечных элементов, реализованный в объемной (3D) постановке в CAE-системе (Computer Aided Engineering). Для реализации этого метода создана принципиально новая конечно-элементная модель валкового узла, в которую включены подшипниковые опоры с подушками и контактирующие с ними поверхности узла станин.
9. Разработана усовершенствованная математическая модель теплового режима и охлаждения валков широкополосного стана горячей прокатки (ШПСГП), отличающаяся от известных моделей тем, что расчет температуры и теплового профиля валков производится в функции параметров технологического процесса и управляющих воздействий системы охлаждения. Впервые получены достоверные значения теплофизических коэффициентов, характеризующих теплообмен в системе «полоса-рабочие валки-опорные валки-охладитель» в условиях современных станов.
Достоверность указанных выше новых решений в теории прокатки проверена в условиях действующих станов на статистически значимом количестве прокатываемых полос широкого спектра марок стали и профилеразмеров. Это обеспечило выполнение расчетов усилий прокатки, мощности главных приводов и профиля полос со средней погрешностью 5-7 %, что в 3 -4 раза меньше, чем при расчетах по известным методикам.
3. Практическое применение новых теоретических разработок
Применение новых теоретических положений и математических моделей позволило получить ряд практически значимых технических результатов [16-19]. Наиболее существенные из них указаны ниже.
1) Для повышения точности размеров и плоскостности тонких полос до уровня мировых стандартов, улучшения качества их поверхности и экономии энергозатрат в методику расчета технологических режимов прокатки внесены следующие новые положения:
- научно-обоснованное разделение допусков на продольную и поперечную разнотол-щинность, позволяющее выдержать в жестком поле допуска колебания толщины по всей площади полосы;
- математические модели разнотолщинности и неплоскостности полос, вычисляемых в функции значимых факторов технологии прокатки;
- алгоритмы оптимизации режимов прокатки по критериям: «минимальная разнотол-щинность», «минимальный расход энергии», «минимальное загрязнение поверхности полосы», «минимальная неплоскостность».
2) Впервые получены математические выражения для соотношений между силами, действующими на узел рабочих валков, исключающих резонансные вибрации в рабочей клети. Внедрение этой разработки на 5-ти клетевом стане «1700» ПАО «Северсталь» исключило вибрационные процессы в рабочих клеях, за счет чего в 2 раза снизилась отсортировка холоднокатаных листов по дефекту «ребристость», исключен дефект «полосы нагартовки» и увеличена рабочая скорость стана с 10-12 до 18-20 м/с.
3) На 4-х клетевом и 5-ти клетевом станах холодной прокатки «1700» выполнен комплекс исследований влияния положения нейтральных сечений в рабочих клетях на чистоту поверхности холоднокатаных полос и на расход энергии.
В результате испытаний достоверно установлено, что сдвиг нейтрального сечения в рабочей клети вперед по ходу прокатки уменьшает количество загрязнений на полосе, а сдвиг в противоположную сторону уменьшает расход энергии при прокатке. На основании этих результатов внедрена в производство новая технология, позволившая значительно улучшить чистоту поверхности полос и снизить расход энергии на 2-4 %.
4) В результате исследований, проведенных на 5-ти клетевом и дрессировочном станах «1700» ПХП ПАО «Северсталь» установлены причины появления неплоскостности холоднокатаных полос. К ним относятся дефекты поперечного профиля и продольная разнотол-щинность подката, неточности настройки стана холодной прокатки (или дрессировочного стана) и дополнительные факторы, производные от факторов, указанных выше.
Для выработки мероприятий, уменьшающих влияние на плоскостность холоднокатаных полос искажений поперечного профиля горячекатаного подката и улучшающих настройку стана холодной прокатки, разработана технологическая модель неплоскостности, связывающая нестабильные факторы технологии с показателями неплоскостности - высотой и шагом волны (короба).
Внедрение усовершенствованных технологических режимов в производство уменьшило отсортировку по неплоскостности холоднокатаных полос в 2 раза.
5) На 6-ти клетевом стане горячей прокатки «1700» и 12-ти клетевом стане горячей прокатки «2000» выполнены исследования влияния технологических параметров режима прокатки на колебания толщины и ширины горячекатаных полос. В ходе исследований установлено, что уменьшение обжатий в последних клетях чистовой группы широкополосного стана приводит к снижению колебаний толщины и ширины полосы. В результате на выходе из стана продольная и поперечная разнотолщинность полосы уменьшаются в 1,7-2 раза, расход энергии при прокатке сокращается на 3-5 %, а разнотолщинность подката для станов холодной прокатки снижается до диапазона ±2 % по всей площади полосы.
6) Все усовершенствования технологии, изложенные в п.п. 1-5, были использованы ПАО «Северсталь» при разработке и промышленном внедрении новой сверхнизкоуглероди-стой экономнолегированной автомобильной листовой стали марки 01ЮПД с ВН-эффектом, свойства которой соответствуют требованиям мировых стандартов. Освоение производства этой стали обеспечило для ОАО «Северсталь» конкурентные преимущества на мировом рынке сталей для автомобилестроения.
По материалам изложенных теоретических разработок и их технических приложений, использованных в производстве, представители Череповецкой научной школы прокатчиков сделали ряд докладов на Международных научно-технических конференциях в гг. Москве,
Санкт-Петербурге, Липецке, Череповце, Вологде, Токио (Япония), Венеции (Италия), Не-швиле (США), Париже (Франция), Харбине (Китай) и других городах [20-30]. Также было опубликовано большое количество статей в журналах «Производство проката», «Металлы», «Russian Metallurgy», бюллетене ОАО «Черметинформация».
Научная школа ЧГУ активно сотрудничает с учеными-прокатчиками ИМЕТ РАН [15; 19; 21; 24-28], обменивается информацией с представителями научной школы Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова (МГТУ): которые, в свою очередь, публикуют статьи в «Вестнике Череповецкого государственного университета», мы - в журнале МГТУ «Обработка сплошных и слоистых материалов».
Многие практически значимые результаты изложенных выше теоретических работ защищены патентами Российской Федерации.
В настоящее время ряд наших новых разработок испытывается в прокатных подразделениях ПАО «Северсталь».
Список литературы
1. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. М.: Металлургия, 1980. 320 с.
2. Смирнов В.С. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1967. 460 с.
3. Чекмарев А.П., Нефедов А.А., Николаев В.А. Теория продольной прокатки. Харьков: Изд-во Харьковского университета, 1965. 212 с.
4. Третьяков А.В. Теория, расчет и исследования станов холодной прокатки. М.: Металлургия, 1966. 255 с.
5. Грудев А.П. Теория прокатки. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 280 с.
6. Робертс В. Холодная прокатка стали: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 542 с.
7. Рудской А.И., Лунев В.А., Теория и технология прокатного производства: Учеб. пособие. СПб.: Наука. 2008. 527 с.
8. Гарбер Э.А. Станы холодной прокатки (теория, оборудование, технология). М.: Институт «Черметинформация», Череповец: ЧГУ, 2004. 416 с.
9. Кожевникова И.А., Гарбер Э.А. Производство проката. Том 1. Книга 2. Развитие теории тонколистовой прокатки для повышения эффективности работы широкополосных станов. М.: «Теплотехник», 2010. 274 с.
10. Гарбер Э.А., Кожевникова И.А. Теория прокатки: учебник с грифом УМО РФ по образованию в области металлургии. Ст. Оскол: Тонкие наукоемкие технологии, 2015. 312 с.
11. Гарбер Э.А., Болобанова Н.Л. Развитие методов моделирования профилировок и упругих деформаций валков листовых станов. Монография. М.: «Теплотехник», Череповец: ЧГУ. 2015. 120 с.
12. Гарбер Э.А., Кожевникова И.А., Никитин Д.И. Расчет мощности процесса холодной прокатки. Учеб. пособие. Череповец: ЧГУ. 2006. 120 с.
13. Гарбер Э.А., Хлопотин М.В. Моделирование и совершенствование теплового режима и профилировок валков широкополосных станов горячей прокатки. Монография. Череповец: ЧГУ; М.: «Теплотехник», 2013. 113 с.
14. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А. Контактное взаимодействие валков и полосы при холодной прокатке (новые решения в теории тонколистовой прокатки): Учеб. пособие (с грифом УМО РФ по металлургическим специальностям). Череповец: ЧГУ, 2003. 145 с.
15. E. Garber, A. Traino, I. Kozhevnikova. Novel Mathematical models for Cold-Rolling Process: В коллективной монографии: «Flat-rolled steel processes: advanced technologies/editor Vladimir B. Ginzburg, "CRC Press; NW, USA, Chapler16, s. 171-190.
16. Гарбер Э.А., Кожевников А.В., Кожевникова И.А. Вибрации в рабочих клетях станов холодной прокатки и методы их устранения. Учеб. пособие (с грифом УМО РФ по металлургическим специальностям). Череповец: ГОУ ВПО «ЧГУ», 2008. 143 с.
17. Гарбер Э.А., Дилигенский Е.В. Формирование и контроль шероховатости поверхности прокатных валков и холоднокатаных полос. Учеб. пособие (с грифом УМО РФ по металлургическим специальностям). М.: «Теплотехник», 2009. 120 с.
18. Кузнецов В.В., Гарбер Э.А. Производство холоднокатаной листовой стали с повышенной прочностью и коррозионной стойкостью для автомобильной промышленности: Монография. Череповец: ЧГУ, 2011. 115 с.
19. Гарбер Эдуард, Поспелов Иван, Трайно Александр. Уменьшение продольной разно-толщинности горячекатаных широких полос. Монография. Saarbrücken, Deutschland, "LAMBERT Academic Publishing". 2014. 88 с.
20. Гарбер Э.А., Шадрунова И.А. Новая модель очага деформации при холодной прокатке тонких широких полос // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Современные сложные системы управления». Липецк: ЛГТУ, 2002. С. 137-140.
21. Гарбер Э.А., Шадрунова И. А., Трайно А.И., Юсупов В.С. Computer Modeling of the Deformation Cell in Cold Rolling of IF Steels as an Elastic and Plastic Medium with the View of Improving Automobile Sheets Quality. . International Forum for the Properties and Application of IF Steels «IF STEELS 2003». Arcadia Ichigaya, Tokyo, Japan. 2003. P. 431-435.
22. Пути уменьшения затрат электроэнергии при холодной прокатке на непрерывных станах / Э.А. Гарбер, И.А. Шадрунова, Д.И. Никитин, В.Л. Явкин // Труды пятого Конгресса прокатчиков. (Череповец, 21-24 октября 2003 г.). М.: ОАО «Черметинформация». 2004. С. 90-94.
23. Новые решения в теории и технологии холодной прокатки / Э.А. Гарбер, И.А. Шадрунова, А.В. Кожевников, Д.И. Никитин // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Теория и технология процессов пластической деформации». М.: МИСиС, 2004. С. 25-27.
24. E.A. Garber, I.A. Shadrunova, V.V. Kuznetsov, A.I. Traino, V.S. Ysupov. New methods of optimization of cold rolling modes at continuous mills which provide improvement of surface cleaniness and reduction of energy consumtion. 2 nd International Conference & Exhibition on New Developments in Metallurgical Process Technology (Riva del Garda, Italy, 19-21 September 2004) / Associazione Italiana di Metallurgia, 2004. P. 124-125.
25. E.A. Garber, I.A. Shadrunova, V.V. Kuznetsov, A.I. Traino, V.S. Ysupov. Improvement of Rolling Schedules at Continuous Cold Rolling Mills. AISTech-2004. Iron & Steel Technology conference Proceedings. Volume II (September 15-17, 2004, Nashville, Tennessee). Association for Iron & Steel Technology, 2004. P. 3-9.
26. Моделирование энергосиловых параметров процесса холодной прокатки полос из IF сталей для экономии энергозатрат / Э.А. Гарбер, И.А. Кожевникова, В.А. Иводитов, А.И. Трайно, А.В. Кожевников // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства. Материалы Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 50-летию ОАО «Северсталь». Череповец: ЧГУ. 2006. С. 142-144.
27. Э.А. Гарбер, И.А. Кожевникова, В.В. Кузнецов, А.И. Трайно, В.С. Юсупов. New methods of modeling and optimization of wide strip cold rolling schedules // Steel Rolling 2006 9th International & 4-th European Conferences. Paris June 19-21, 2006.
28. E.A. Garber, I.A. Kozhevnikova, A.I. Traino, V.V. Kuznetsov, S.I. Pavlov. Novel Methods for Cold Rolling Process Modeling Providing Cold Roller Strip Quality Improvement, Energy Savings and Continuous Mill Rolling Speed Increase // ICIEA 2007 2-nd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. Harbin, China, 2007. P. 321-322.
29. Повышение эффективности листопрокатного производства на основе новых методов моделирования процессов прокатки / Э.А. Гарбер, И.А. Кожевникова, Д.Л. Шалаевский,
77
С.И. Павлов, В.В. Кузнецов, П.А. Тарасов // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. Вологда: ВоГТУ, 2009. С. 13-15.
30. Технологические режимы непрерывного стана холодной прокатки, обеспечивающие повышение чистоты поверхности холоднокатаных полос / Э.А. Гарбер, В.В. Кузнецов, И.А. Шадрунова, Е.В. Дилигенский, М.В. Шурыгина, М.А. Тимофеева // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: Материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 120-летию академика И.П. Бардина. Череповец, 2003. С. 187-194.
УДК 621.771
СТАНОВЛЕНИЕ МАГНИТОГОРСКОЙ ШКОЛЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ (научный обзор)
Зайдес С.А.
Иркутский национальный исследовательский технический университет
Посредственный учитель излагает, хороший учитель объясняет, выдающийся учитель показывает, великий учитель вдохновляет.
У. Уорд
Город Магнитогорск и Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова (МГТУ) отзывается в сердцах многих иркутян яркими и теплыми воспоминаниями не только о былой юности, но, прежде всего, о своих учителях и товарищах по научной работе: Г.Э. Аркулис, М.И. Бояршинов, Г.С. Гун, П.И. Денисов, В.Г. Дорогобид, Ю.И. Коковихин, Н.А. Королев, М.И. Куприн, Б.А. Никифоров, В.М. Салганик, Л.Е. Смушкевич, В.Л. Стеблянко, В.Г. Паршин, М.Г. Поляков, С.Н. Хайкин и многие другие коллеги.
Первенство построения научного моста между городами Иркутском и Магнитогорском принадлежит Николаю Николаевичу Соколовскому - заведующему кафедрой материаловедения и технологии металлов Иркутского политехнического института. В конце 60-х годов прошлого столетия под руководством академика А.И. Целикова он работал над диссертацией «Исследование проталкивания при волочении стальных прутков». Эта работа объединила два производственных предприятия: Магнитогорский калибровочный завод и Иркутский завод тяжелого машиностроения и два учебных вуза - Магнитогорский горнометаллургический институт им. Г.И. Носова и Иркутский политехнический институт.
Пятьдесят лет назад в стране бурно развивались отрасли машиностроения, которые требовали значительного увеличения производства калиброванной стали и сортовых профилей из пруткового и бунтового металла. Практика показала, что применение калиброванной стали взамен горячекатаной позволяет снизить расход металла в машиностроительной промышленности на 20-40 %. Это обусловлено тем, что во многих отраслях, например, в сельскохозяйственном машиностроении при изготовлении валов и других стержневых деталей можно обойтись без поверхностной механической обработки на различныхтокарных станках, автоматах и автоматических линиях. Повышение механических свойств калиброванной стали, по сравнению с горячекатаной, также способствует снижению расхода металла в машиностроении.
Наиболее распространенным и экономически целесообразным способом изготовления калиброванной стали является холодное волочение. Увеличение производства калиброван-
