Моделирование и оптимизация процесса прокатки на многониточных мелкосортно-проволочных станах

В современных экономических условиях целесообразно использовать прокатные станы с широким сортаментом продукции и высокой производительностью, что обеспечивает хорошую приспособляемость к постоянно изменяющимся требованиям рынка металлопроката. В таких условиях становится актуальным применение многониточных мелкосортно-проволочных станов. В связи с этим наметилась тенденция реконструкции действующих станов с увеличением числа ниток в черновых и промежуточных группах клетей. В частности, на Западно-Сибирском металлургическом комбинате разработан проект установки на типовом двухниточном мелкосортном стане 250−1 оборудования для производства катанки с одновременным увеличением числа ниток в черновой группе до трех. На комбинированном мелкосортно-проволочном стане 250 Молдавского металлургического завода однониточную черновую группу клетей реконструировали в двухниточную с целью одновременной прокатки мелкосортной стали и катанки.

Однако применение многониточной прокатки, как известно, приводит к понижению точности прокатываемых профилей. Вследствие этого потребовалась разработка технических решений, направленных на повышение точности прокатки при оптимальном сочетании сортамента продукции и производительности многониточных станов.

Эффективным способом поиска таких решений при современном уровне развития науки является моделирование технологических процессов на ЭВМ с использованием имеющихся и вновь разрабатываемых программных средств.

В связи с изложенным в настоящей диссертационной работе поставлена цель: на основе моделирования на ЭВМ разработать научно обоснованные технические решения по оптимизации технологических процессов многониточной прокатки мелкосортной стали и катанки с целью повышения точности профилей, расширения сортамента проката и повышения производительности многониточных станов. Диссертация представляет часть исследований кафедры ОМД Уральского государственного технического университета, выполняемых по госбюджетной теме № 2005 «Развитие теории контактного взаимодействия, разрушения металлов, физического моделирования, оптимизации и автоматизации проектирования процессов прокатки и волочения» (№ гос. per. 1 970 005 394) и является продолжением работ, выполненных кафедрой по заказу ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (хоз. договор № 040/ФРПНТ-5−3/2−95).

Материал диссертации изложен в пяти главах.

В первой главе на основе обзора современного развития многониточных станов и анализа известных исследований процесса многониточной прокатки сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена разработке математической модели упругой деформации валков при многониточной прокатке. На основе применения теоремы Кастильяно и принципа суперпозиции получены формулы и методика расчетов упругого прогиба валков с учетом места приложения силы и числа одновременно прокатываемых полос. Для определения степени влияния формы, размеров и числа калибров, расположенных на бочке валков, проведены исследования упругой деформации валков методом конечных элементов с помощью пакета прикладных программ Ansys. В результате получено уравнение, выражающее зависимость упругого прогиба валков от указанных факторов.

Полученная математическая модель упругой деформации валков проверена экспериментально путем проведения специальных опытов на лабораторных станах 130 и 200. Показано, что предложенные формулы позволяют рассчитывать упругий прогиб валков с достаточной для практики точностью с вероятностью 0,77−0,95.

В третьей главе диссертации представлены результаты моделирования жесткости рабочих клетей многониточных станов. На основе полученной модели упругой деформации сортовых валков с применением известных формул для расчета других деталей прокатных станов разработан алгоритм и программа расчета коэффициента жесткости рабочих клетей при многониточной прокатке (программа «Жесткость»). По разработанной программе проведено моделирование жесткости рабочих клетей типовых многониточных станов. Установлены закономерности изменения упругой деформации клетей в зависимости от числа одновременно прокатываемых полос, расположения калибров на бочке валков, соотношения размеров валков и других факторов. Определена степень влияния каждого фактора, показано, что наибольшее влияние на упругую деформацию клети и точность прокатываемых профилей оказывает изменение числа ниток в процессе прокатки.

Созданная программа «Жесткость» позволяет прогнозировать точность прокатки и может быть использована в системах автоматизированного моделирования процесса многониточной прокатки и в системах автоматической настройки сортовых станов.

Четвертая глава диссертации посвящена оптимизации технологии многониточной прокатки с использованием методов исследования операций. При этом для моделирования процесса многониточной прокатки используется разработанная в УГТУ-УПИ программа анализа технологии сортовой прокатки (программа «Анализ») в комплексе с созданной программой «Жесткость». Составленный программный комплекс «Анализ-Жесткость» позволил связать технологические параметры прокатки с параметрами настройки рабочих клетей прокатных станов. С применением этого комплекса разработан алгоритм оптимизации настройки рабочих клетей многониточных станов с целью получения минимальной разнотолщинности одновременно прокатываемых полос. Показано, что оптимальным способом стабилизации размеров проката при изменении числа ниток в процессе многониточной прокатки является применение автоматического распора рабочих клетей с целью обеспечения постоянства межвалкового зазора. Разработано и защищено авторским свидетельством на полезную модель устройство для реализации такого способа. Предложен алгоритм расчета оптимальной организации технологического процесса многониточной прокатки с целью обеспечения возможности одновременной прокатки различных профилеразмеров в каждой чистовой однониточной группе стана с максимально возможной производительностью.

В завершающей пятой главе диссертации изложены результаты применения разработанных математических моделей, алгоритмов и программ для моделирования и оптимизации технологических процессов многониточной прокатки при реконструкции двухниточного мелкосортного стана 250−1 ЗападноСибирского металлургического комбината с преобразованием его в трехниточный путем установки по третьей нитке оборудования для производства катанки. Показано, что такая реконструкция не вызовет существенного понижения точности прокатываемых профилей и обеспечит получение проката со степенью использования поля допусков повышенной точности в пределах 0,65−0,75, которая может быть снижена за счет применения предложенного устройства стабилизации межвалкового зазора до 0,58−0,66. Определены оптимальные условия организации технологического процесса трехниточной прокатки, обеспечивающие получение по каждой нитке различных профилей с максимально возможной производительностью.

По результатам моделирования сделан вывод о целесообразности реконструкции типовых двухниточных мелкосортных станов с увеличением числа ниток до трех за счет организации по дополнительной нитке производства катанки.

Новизну и ценность для науки представляют следующие разработки диссертации:

— математическая модель упругой деформации валков при многониточной прокатке, учитывающая место приложения сил и число одновременно прокатываемых полос, а также размеры и количество калибров, расположенных на бочке валков;

— методика расчета жесткости рабочих клетей многониточных станов, реализованная в виде программы на ЭВМ;

— закономерности изменения упругой деформации и жесткости рабочих клетей при многониточной прокатке под действием конструктивных и технологических факторов;

— критерий и алгоритм оптимизации настройки рабочих клетей многониточных станов с целью получения минимальной разнотолщинности одновременно прокатываемых полос;

— модель оптимизации технологического процесса многониточной прокатки с целью организации эффективной работы стана, обеспечивающей возможность прокатки различных профилей по каждой нитке с максимально возможной производительностью.

Практическую ценность составляют:

— программа моделирования на ЭВМ жесткости рабочих клетей многониточных станов (программа «Жесткость»), позволяющая рассчитывать упругую деформацию и коэффициент жесткости рабочих клетей при любом количестве одновременно прокатываемых полос, при любом расположении калибров на бочке валков и пригодная для использования в системах автоматизированной настройки рабочих клетей и управления прокатными станами;

— программный комплекс «Анализ-Жесткость», позволяющий моделировать процесс многониточной прокатки и прогнозировать изменение точности прокатываемых профилей под действием изменяющихся технологических параметров;

— устройство для автоматической коррекции межвалкового зазора, защищенное свидетельством РОСПАТЕНТа РФ на полезную модель и обеспечивающее постоянство межвалкового зазора, а следовательно, стабилизацию размеров проката при изменении числа ниток и других факторов в процессе многониточной прокатки;

— научное обоснование целесообразности проведения реконструкции типовых двухниточных мелкосортных станов с преобразованием их в трехниточные путем установки по дополнительной нитке оборудования для производства катанки.

Достоверность полученных в диссертации разработок основывается на применении фундаментальных методов механики и математики (теорема Кастильяно, принцип суперпозиции, метод конечных элементов, исследование операций) и подтверждается результатами лабораторных опытов и моделирования технологических процессов прокатки на действующих станах.

Разработанные в диссертации математические модели и программы расчетов упругой деформации и жесткости рабочих клетей нашли применение в учебном процессе при подготовке в УГТУ-УПИ специалистов по обработке металлов давлением и при разработке технологического задания на реконструкцию мелкосортного стана 250−1 ОАО «Западно-Сибирский металлургический завод». 9.

Совокупность проведенных в диссертации исследований можно квалифицировать как решение задачи совершенствования многониточных прокатных станов на основе применения научно обоснованных технических решений по оптимизации технологических процессов прокатки мелкосортной стали и катанки с целью повышения точности прокатываемых профилей, расширения сортамента продукции и увеличения производительности, что имеет важное народно-хозяйственное значение.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Выводы.

1. В результате применения комплекса программ «Анализ-Жесткость» для моделирования процесса прокатки при реконструкции мелкосортного двухниточного стана 250 ОАО «Запсибметкомбинат» с преобразованием его в трехниточный установлено, что увеличение до трех числа ниток в черновой группе стана не вызовет существенного ухудшения точности прокатываемых профилей, что объясняется выравниванием разнотолщинности раскатов в чистовых однониточных группах. При этом степень использования поля допусков повышенной точности составит 0,65−0,75.

2. Применение предложенных в диссертации устройств для стабилизации межвалкового зазора в клетях черновой и промежуточной групп стана (см. рис. 4.4) позволит увеличить точность прокатываемых профилей на 14−16% и снизить степень использования поля допусков повышенной точности до 0,58−0,66.

3. Определены оптимальные условия организации технологического процесса трехниточной прокатки, обеспечивающие одновременное получение по каждой из трех ниток различных (совместимых) профилеразмеров с максимально возможной производительностью (см. табл. 5.2).

4. В целом по результатам проведенного моделирования можно сделать вывод, что реконструкция типовых двухниточных мелкосортных станов второго и третьего поколений с преобразованием их в трехниточные путем установки по третьей нитке чистового проволочного блока клетей является целесообразной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведения диссертационной работы достигнута поставленная цель и получены следующие основные результаты:

1. На основе применения теоремы Кастильяно и принципа суперпозиции разработана математическая модель упругой деформации сортовых валков при многониточной прокатке, учитывающая место приложения сосредоточенной нагрузки и число одновременно прокатываемых полос. Достоверность разработанной модели подтверждена численным экспериментом на ЭВМ с применением метода конечных элементов и лабораторными опытами.

Впервые установлены закономерности влияния формы и размеров калибров на упругую деформацию валков.

2. С применением полученной математической модели упругой деформации валков и известных методов расчета упругой деформации других деталей прокатных станов разработана программа моделирования на ЭВМ жесткости рабочих клетей при одновременной прокатке любого числа полос и при любом расположении калибров на бочке валков (программа «Жесткость»).

Проведено моделирование на ЭВМ жесткости рабочих клетей типовых многониточных станов, в результате которого установлены закономерности влияния на упругую деформацию этих клетей и точность прокатки конструктивных и технологических факторов. Показано, что наибольшее влияние оказывает изменение числа ниток в процессе прокатки. Характер изменения упругой деформации клети в зависимости от места приложения нагрузки по длине бочки валка существенно зависит от отношения длины бочки к диаметру валков.

3. С использованием программы «Жесткость» и разработанной в УГТУ-УПИ программы анализа технологических процессов сортовой прокатки составлен программный комплекс «Анализ-Жесткость», позволяющий связать технологические параметры прокатки с параметрами настройки рабочих клетей стана и прогнозировать изменение точности прокатываемых профилей под действием изменяющихся факторов.

4. С применением комплекса программ «Анализ-Жесткость» разработан алгоритм оптимальной настройки рабочих клетей многониточного стана с целью получения минимальной разнотолщинности одновременно прокатываемых полос.

5. Установлено, что оптимальным способом стабилизации размеров проката при изменении числа ниток в процессе многониточной прокатки является применение автоматического распора рабочих клетей с целью обеспечения постоянства межвалкового зазора. Разработано и защищено авторским свидетельством на полезную модель устройство для реализации такого способа.

6. Предложен критерий эффективности использования многониточных станов, с помощью которого показано, что эксплуатация многониточных мелкосортно-проволочных станов в 1,5−2 раза эффективнее использования однониточных станов при условии оптимальной организации технологического процесса, обеспечивающей возможность одновременной прокатки совместимых профилей по всем ниткам с максимально возможной производительностью. Разработан алгоритм оптимизации технологического процесса многониточной прокатки по быстродействию и сортаменту одновременно прокатываемых полос.

7. С применением разработанного комплекса программ «Анализ-Жесткость» и предложенных алгоритмов оптимизации проведено моделирование процесса прокатки при реконструкции двухниточного мелкосортного стана 250 ОАО «Запсибметкомбинат» с преобразованием его в трехниточный мелкосортно-проволочный. Установлено, что увеличение до трех числа ниток в черновой группе стана не вызовет существенного ухудшения точности прокатываемых профилей и обеспечит получение проката со степенью использования поля допусков повышенной точности в пределах 0,65−0,75. Применение предложенных в диссертации устройств для стабилизации межвалкового зазора позволит снизить эту степень до 0,58−0,66.

Показано, что реконструкция типовых двухниточных мелкосортных станов с преобразованием их в трехниточные путем установки по дополнительной нитке чистовых проволочных блоков клетей является целесообразной.

8. Разработанная математическая модель упругой деформации сортовых валков при многониточной прокатке и программы «Жесткость» используются на.

118 кафедре ОМД УГТУ-УПИ в учебном процессе студентов специальности 110.600 -Обработка металлов давлением.

Таким образом, в диссертации разработаны научно обоснованные технические и технологические решения по совершенствованию многониточных мелкосортно-проволочных станов с целью повышения эффективности производства проката, что имеет важное народнохозяйственное значение.