Актуальность работы.
В технологическом процессе производства тонколистового холоднокатаного металла дрессировка является ответственной отделочной операцией, во многом определяющей качество готовых полос и листов, в том числе способность их к глубокой вытяжке при штамповке без разрушения или появления линий сдвига.
Дрессировку малоуглеродистой автомобильной стали ведут преимущественно в интервале относительных обжатий 0,5 — 1,5%, что в 20 — 30 раз меньше частных обжатий в рабочих клетях станов холодной прокатки. Тем не менее конструктивные размеры рабочих клетей дрессировочных и прокатных станов (диаметры бочек и шеек рабочих и опорных валков, поперечные сечения элементов узла станин и др.) в большинстве случаев выполняют одинаковыми. Поэтому вопрос о возможности уменьшения металлоемкости дрессировочных клетей представляет практический интересего актуальность определяется необходимостью сокращения капитальных затрат при модернизации действующих и создании новых дрессировочных станов.
Не меньший практический интерес имеет и анализ возможности уменьшения установочной мощности двигателей главного привода, составляющей на действующих дрессировочных станах 2500 и более кВт, что при обжатиях 0,5 — 1,5% представляется существенно завышенным.
Анализ возможности уменьшения массы рабочих клетей дрессировочных станов и установочной мощности двигателей их главного привода с помощью известных методик расчета энергосиловых параметров процесса дрессировки [1−4] невозможен по ряду причин.
Одна из причин заключается в том, что известные методики не в полной мере учитывают существенную особенность очага деформации процесса дрессировки, состоящую в том, что не менее половины ее протяженности занимают упругие участки, в которых не действуют условие пластичности и закон постоянства секундных объемов полосы. Как показал анализ, это приводит к значительным погрешностям при расчете по известным методикам усилия и мощности процесса дрессировки.
Второй причиной является неточное определение в энергосиловом расчете сопротивления деформациибез учета реальной зависимости предела текучести от относительного обжатия, которая в процессе дрессировки существенно иная, чем при холодной прокатке.
Кроме того, существующие методики расчета энергосиловых параметров предназначены для сухого процесса дрессировки, в то время как дрессировка малоуглеродистой автомобильной стали на современных станах ведется с использованием смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), вызывающей значительное уменьшение коэффициента трения в очаге деформации. Достоверные данные о коэффициентах трения при дрессировке со смазкой в литературе отсутствуют.
Рассматривать процесс дрессировки с применением СОЖ как процесс холодной прокатки и использовать существующие методики расчета энергосиловых параметров холодной прокатки [5−12] для исследования поставленных вопросов также нельзя, т.к. это два различных процесса. Одно из отличий процессов холодной прокатки и дрессировки состоит в том, что соотношение величин упругих и пластических деформаций по толщине полосы в этих процессах отличаются более чем на порядок.
Из выше изложенного следует, что разработка новой методики расчета энергосиловых параметров процесса дрессировки, устраняющей перечисленные недостатки известных методик, является весьма актуальной научно-технической задачей.
Задачи работы.
В диссертационной работе решены следующие задачи:
• разработка методики расчета контактных напряжений, усилий и мощности процесса дрессировки, учитывающей напряженное состояние как в упругих, так и в пластических участках очага деформации, специфическую зависимость сопротивления деформации от относительного обжатия в интервале обжатий 0,5 — 1,5% и закономерности контактного трения при дрессировке с использованием СОЖ;
• промышленная апробация на действующем дрессировочном стане разработанной методики с целью оценки ее точности и достоверности;
• расчет энергосиловых параметров процесса дрессировки с использованием новой методики с целью проработки возможности уменьшения металлоемкости дрессировочных клетей и установочной мощности двигателей их главного привода.
Все исследования и разработки по теме диссертации проводились по трем основным направлениям.
1. Теоретические исследования:
1.1. Разработка методики расчета контактных напряжений, усилий и мощности процесса дрессировки.
1.2. Вывод новых формул для определения зависимости сопротивления деформации от обжатия в диапазоне относительных обжатий 0,5 — 1,5%, характерных для дрессировки малоуглеродистых сталей.
1.3. Анализ процессов контактного трения в очаге деформации при дрессировке с использованием СОЖ и вывод соответствующих эмпирических формул для расчета коэффициента трения.
2. Экспериментальные исследования:
2.1. Проведение промышленных исследований на действующем дрессировочном стане «1700» с целью получения экспериментальных данных о фактических режимах, усилиях и мощности процесса дрессировки.
2.2. -Оценка достоверности разработанной методики энергосилового расчета на основе статистической обработки результатов сопоставления данных измерений и расчетов усилий и мощности дрессировки.
3. Работы по совершенствованию оборудования:
3.1. Обоснование эффективности уменьшения металлоемкости рабочих клетей и установочной мощности двигателей главного привода дрессировочных станов.
3.2. Разработка конструкции облегченной малогабаритной клети дрессировочного стана с двигателем главного привода, имеющим меньшую установочную мощность, чем существующие дрессировочные станы.
3.3. Сопоставление массы, габаритов и мощности привода разработанной и существующих клетей.
Научная новизна заключается в следующем.
1. В результате анализа процесса контактного взаимодействия полосы и валков в очаге деформации дрессировочного стана установлены следующие особенности процесса дрессировки тонких полос из малоуглеродистых конструкционных сталей:
— несоблюдение закона постоянства секундных объемов полосы как следствие того, что преобладающую часть очага деформации, длина которого не превышает 1,5 — 4,5 мм, занимают упругие зоны (1 -2,5 мм);
— отсутствие проскальзывания полосы относительно валков, вследствие чего на всей протяженности очага деформации, вместо трения скольжения между полосой и валками, имеет место трение покоя, а зоны отставания, опережения и нейтральное сечение отсутствуют.
2. Получены новые эмпирические выражения для расчета:
— сопротивления деформации холоднокатаных отожженных полос из малоуглеродистых сталей в функции относительного обжатия в диапазоне обжатий 0,5 — 1,5%- - коэффициента трения покоя между полосой и валками в функции кинематической вязкости СОЖ, шероховатости бочки валков, относительного обжатия и окружной скорости валков.
3. Получены новые аналитические выражения для расчета контактных напряжений и усилий в очаге деформации дрессировочной клети, основанные на совместном решении уравнений равновесия полосы с 0 уравнениями упругости (на упругих участках) и уравнениями пластичности (на пластическом участке) при граничных условиях, учитывающих изложенные выше особенности процесса дрессировки.
4. Установлена неприменимость к процессу дрессировки методики расчета удельной работы и мощности процесса холодной прокатки, учитывающей разные направления напряжений трения скольжения в зонах отставания и опереженияв связи с чем для расчета удельной работы дрессировки использована формула Финка.
Достоверность новых научных результатов подтверждена сопоставлением расчетных и измеренных энергосиловых параметров процесса дрессировки на статистически значимом массиве данных. Практическая ценность.
1. Предложена конструкция облегченной рабочей клети дрессировочного стана с двигателем главного привода, имеющим меньшую установочную мощностью.
2. Сформулированы рекомендации об эффективных конструктивных размерах рабочих клетей дрессировочных станов и мощностей двигателей главного привода для реконструкции действующих и конструирования новых станов. Аннотация диссертационной работы по главам.
В первой главе рассмотрена актуальность задачи повышения точности расчета усилий и мощности процесса дрессировки при производстве холоднокатаных полос из малоуглеродистой автомобильной стали. Изложены результаты анализа существующих математических моделей процесса дрессировки, сделано заключение о невозможности их использования в конструкторской и технологической практике из-за того, что они не учитывают ряд существенных особенностей напряженного состояния полосы и контактного взаимодействия ее с валками.
Вторая глава содержит обоснование специфической упругопластической модели очага деформации дрессировочного стана, не имеющего зон отставания, опережения и нейтрального сечения. В главе обосновано несоблюдения при дрессировке закона постоянства секундных объемов полосыприведены данные о реальном характере зависимостей от обжатия сопротивления металла пластической деформации, приведены соответствующие формулы. Приведены эмпирические выражения для расчета коэффициента трения покоя в очаге деформации при дрессировке с использованием СОЖ. Рассмотрены основные положения новой методики расчета контактных напряжений, усилий и мощности процесса дрессировки.
В третьей главе представлены алгоритмы и блок-схемы расчета контактных напряжений, усилий и мощности дрессировки по новой методике, на основе которых выполнена их программная реализация. Представлены данные о фактических режимах дрессировки полос различных маркои профилеразмеров на дрессировочном стане № 2 «1700» ОАО «Северсталь» и соответствующих им измеренных и расчетных значенях усилий и мощности дрессировки. Приведены результаты статистической оценки погрешностей расчета энергосиловых параметров по новой методике.
В четвертой главе представлены результаты разработки конструкции облегченной рабочей клети с двигателем главного привода, имеющим меньшую установочную мощность, чем на действующих дрессировочных станах.
Выполнено сопоставление габаритов и массы оборудования разработанной и существующей клетей, а также установочной мощности их главных приводов.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (г. Череповец, октябрь 2005 г.), на IV Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука — региону» (г. Вологда, февраль 2006 г.) и на Международной научно-технической конференции «Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением» (г. Краматорск, Украина, апрель 2006 г.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей. Работа выполнялась в Череповецком государственном университете в период с 2003 г. по 2006 г.
Промышленные исследования проводились на ОАО «Северсталь».
1. Актуальность разработки новой математической модели энергосиловых параметров процесса дрессировки.
Общие выводы по диссертации.
1. Исходя из актуальной задачи металлургических предприятийсокращения капитальных и эксплуатационных затрат в производстве холоднокатаных листов при реконструкции действующего и проектировании нового листопрокатного оборудования, в работе выполнен анализ конструкции дрессировочных станов, их энергосиловых параметров, проработана возможность сокращения габаритов и массы оборудования их рабочих клетей, установочной мощности двигателей их главного привода.
2. Анализ известных методик расчета энергосиловых параметров процесса дрессировки показал, что решение на их основе задачи создания экономичных рабочих клетей современных дрессировочных станов невозможно из-за следующих недостатков этих методик:
— они не учитывают изменений сопротивления деформации на упругих участках очага деформации, где его среднее значение составляет около 50% от среднего предела текучести в пластическом участке, что приводит к завышению расчетных значений нормальных контактных напряжений, усилий и мощности дрессировки.
— они не учитывают реального характера зависимости предела текучести от степени деформации при дрессировке, имеющей принципиальные отличия от аналогичных зависимостей при холодной прокатке;
— из-за отсутствия достоверных данных о коэффициенте трения при дрессировке с использованием СОЖ, его значения в очаге деформации в этих методиках назначаются приближенно, что, в свою очередь приводит к значительным погрешностям энергосилового расчета.
3. Разработана новая методика расчета контактных напряжений, усилий и мощности процесса дрессировки, учитывающая напряженное состояние как в упругих, так и в пластических участках очага деформации, специфическую зависимость сопротивления деформации от относительного обжатия в интервале обжатий 0,5 — 1,5% и закономерности контактного трения при дрессировке с использованием СОЖ;
4. Научная новизна разработанной методики и полученных с ее помощью результатов заключается в следующем.
4.1.В результате анализа процесса контактного взаимодействия полосы и валков в очаге деформации дрессировочного стана установлены следующие особенности процесса дрессировки тонких полос из малоуглеродистых конструкционных сталей:
— несоблюдение закона постоянства секундных объемов полосы как следствие того, что преобладающую часть очага деформации занимают упругие зоны;
— отсутствие проскальзывания полосы относительно валков, вследствие чего на всей протяженности очага деформации, вместо трения скольжения между полосой и валками, имеет место трение покоя, а зоны отставания, опережения и нейтральное сечение отсутствуют.
— неприменимость к процессу дрессировки методики расчета удельной работы и мощности процесса холодной прокатки, учитывающей разные направления напряжений трения скольжения в зонах отставания и опережения;
4.2.Получены новые эмпирические выражения для расчета:
— сопротивления деформации холоднокатаных отожженных полос из малоуглеродистых сталей в функции относительного обжатия в диапазоне обжатий 0,5 — 1,5%;
— коэффициента трения покоя между полосой и валками в функции кинематической вязкости СОЖ, шероховатости бочки валков, относительного обжатия и окружной скорости валков.
4.3.Получены новые аналитические выражения для расчета контактных напряжений и усилий в очаге деформации дрессировочной клети, основанные на совместном решении уравнений равновесия полосы с.
— уравнениями упругости (на упругих участках) и уравнениями пластичности (на пластическом участке) при граничных условиях, учитывающих изложенные выше особенности процесса дрессировки. 4.4.Показано, что для расчета удельной работы и мощности процесса дрессировки наиболее достоверные результаты дает формула Финка.
5. Достоверность разработанной методики подтверждена сопоставлением расчетных и измеренных энергосиловых параметров процесса дрессировки на статистически значимом массиве данных. Средние погрешности расчета усилий и мощности дрессировки составили 5%, максимальные: 8,3 — 10,5%.
6. Установлено, что усилие дрессировки составляет не более 30% от суммарного усилия между полосой и валками, остальную его часть (70%) составляет усилие предварительного поджатая валков.
7. Установлено, что работа, затрачиваемая непосредственно на процесс дрессировки, составляет не более 21% от общей энергии, потребляемой из сети главным приводом станаа основная часть энергии, превышающая полезную энергию в 2,5 — 7 раз, расходуется на преодоление сил трения качения между валками.
8. Сопоставление фактической и паспортной мощностей двигателей главного привода действующего дрессировочного стана «1700» показало, что максимальная фактическая мощность не превышает 10% паспортной мощности.
9. Эскизная проработка конструкции экономичной рабочей клети дрессировочного стана показала реальную возможность уменьшения массы оборудования дрессировочных клетей на 137 т или 41%, без снижения их прочности и жесткости, и снижения установочной мощности их главного привода в 4 — 5 раз по сравнению с приводом существующих станов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
