Совершенствование технологии прокатки — разделения арматурного профиля на мелкосортных станах

Способ продольного разделения заготовки в процессе прокатки относят к технологиям, повышающим эффективность производства, благодаря снижению материальных и энергетических затрат и повышению производительности прокатного стана. Данное преимущество объясняется тем, что уменьшение поперечного сечения в два-три раза за счет разделения заготовки вдоль требует меньше энергозатрат, оборудования, времени для прокатки, чем традиционный способ поэтапного обжатия заготовки. Этим объясняется повышенный интерес как со стороны ученых, так и производственников к освоению и совершенствованию данного технологического процесса.

Актуальность работы. Одной из приоритетных задач, стоящих перед черной металлургией, является повышение эффективности производства за счет разработки и внедрения новых технологий. В системе рыночных отношений большое значение уделяется вопросам снижения материальных и энергетических затрат, повышению технологической гибкости, улучшению качества готовой продукции и расширению сортамента, что в конечном счете повышает конкурентоспособность производителя на внутреннем и внешнем рынках. Наиболее эффективным способом прокатки арматурных профилей стали, который позволяет уменьшить энергетические затраты и повысить производительность прокатного стана является процесс прокатки-разделения.

Решение этой задачи требует проведения больших экспериментальных исследований, что связано со значительными финансовыми и материальными затратами. Поэтому создание методик, математических и компьютерных моделей для оптимизации режимов деформирования, расчетов технологических параметров, а также разработка комплекса технических и технологических решений для управления, совершенствования и расширения методов ОМД являются своевременными и актуальными.

Работа выполнена в соответствии с Государственной программой «Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» от 30 марта 2002 г. и перечнем «критических технологий Российской Федерации», раздел «Компьютерное моделирование», Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 гг.» от 6 июля 2006 г., разделы «Технологии производства программного обеспечения», «Технологии создания и обработки кристаллических материалов», Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы (Соглашение № 14.ВЗ7.21.0071), а также согласно планам госбюджетных и хоздоговорных работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет.» .

Цель диссертационной работы. Разработка научно — обоснованных технологических решений по оптимизации процессов прокатки-разделения, направленных на повышение производительности и экономию материально-энергетических ресурсов при производстве арматурных периодических профилей.

Задачи исследования.

1. Провести компьютерное моделирование формоизменения и напряженно-деформированного состояния при прокатки-разделении, определить оптимальный способ разделения в зависимости от технических ресурсов мелкосортных станов.

2. Определить оптимальную геометрическую форму разделительных калибров при многоручьевой прокатке-разделении. Выявить закономерности течения металла в таких калибрах. На основе полученных моделей разработать методику расчета калибровок валков для прокатки-разделения арматурных профилей на мелкосортных станах.

3. Спроектировать по разработанной методике калибровки валков для прокатки-разделения арматурной стали характерных размеров на мелкосортных станах.

4. Внедрить разработанные оптимальные технологические режимы прокатки арматурных профилей № 10 и № 12 на мелкосортно-проволочном стане 320/150 ОАО «Амурметалл» и мелкосортном стане 250−1 ОАО «ЕВРАЗ-ЗСМК».

Методы исследований. При исследованиях использовалась теория подобия и методы моделирования процессов ОМД, методы компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния, современные компьютерные технологии исследования и мониторинга промышленных процессов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждаются большим объемом экспериментального материала, полученного в лабораторных и промышленных условиях с применением современных методик, корректным использованием современных математических методовсогласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных результатов и зависимостейадекватностью разработанных математических и компьютерных моделейприменением современных методов статистической обработки результатовсопоставлением полученных результатов с данными других исследователейэффективностью предложенных технических и технологических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производство. Достоверность и новизна технических решений подтверждена патентом на изобретение.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель силовых условий при прокатке в разделительном калибре. Проанализированы силовые условия деформирования сдвоенного раската квадратного и круглого сечения.

Приведены условия разделения металла по перемычке при прокатке с заполненным или незаполненным калибром.

2. Разработана методика компьютерного моделирования прокатки металла в разделительном калибре, изучено формоизменение металла при продольном разделении сдвоенных раскатов квадратного и круглого сечения, установлены оптимальные размеры перемычки при прокатке в разделительном калибре.

3. Получены новые результаты напряженно-деформированного состояния металла в перемычке при прокатке в разделительном калибре. Установлено, что металл в перемычке разделительного калибра испытывает напряжение всестороннего сжатия, при прокатке с незаполненным калибром наблюдается большая неравномерность сжимающих напряжений.

4. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета калибровки при прокатке с продольным разделением металла. Научно обоснованы условия и определены технологические параметры прокатки-разделения в двухручьевом разделительном калибре.

Практическая значимость.

— разработана методика проектирования калибровки при осуществлении технологических процессов прокатки-разделения.

— разработаны калибровки валков и технологические режимы прокатки-разделения арматурных профилей № 10 и № 12 по способу контролируемого разрыва в валках, которые позволили вывести из процесса формирования профиля три прокатных клети, увеличить производительность стана на 55,4% и сократить расход электроэнергии на 30% на ОАО «Амурметалл».

— разработаны калибровки валков и технологические режимы прокатки-разделения арматурных профилей № 8, № 10, № 12 и № 14 при использовании неприводного делительного инструмента, установлены предельные значения коэффициента вытяжки и допустимые значения толщины и ширины перемычки в разделительном калибре, что позволило вывести из процесса формирования профилей две прокатных клети, увеличить производительность стана на 31% и сократить расход электроэнергии на 23% и получить экономию топлива на 1,5 + 2% на ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК».

— разработанные калибровки валков и технологические режимы прокатки-разделения могут быть использованы на существующих и вновь проектируемых мелкосортных станах.

Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, в выполнении экспериментальных и промышленных исследований формоизменения металла в калибрах, статистической обработке и анализе полученных результатов, внедрении новых технологий в производство.

Реализация результатов, внедрение разработанной технологии прокатки-разделения контролируемого разрыва в валках на мелкосортно-проволочном стане 320/150 ОАО «Амурметалл» при прокатке арматурных профилей № 10 и № 12 позволило увеличить часовую производительность прокатного стана и снизить условно-постоянные расходы по переделу. Годовой экономический эффект в ценах 2010 г. составил 50,205 млн. рублей, с долевой частью автора 10,4 млн руб.

— внедрение технологии прокатки разделения неприводным инструментом в условиях непрерывного мелкосортного стана 250−1 сортопрокатного цеха ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» позволило при прокатке арматурных профилей № 10 и № 12 снизить энергозатраты на 23 кВт-ч/т, повысить производительность стана на 31%, снизить материальные затраты и освоить новый профиль арматурной стали № 8 в прутках. Годовой экономический эффект в ценах 2010 г. составил 43,6 млн. рублей, с долевой частью автора 8,7 млн руб.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели силовых условий прокатки в разделительном калибре при полном и неполном заполнении калибра.

2. Методика компьютерного моделирования прокатки металла в разделительном калибре.

3. Результаты напряженно-деформированного состояния в перемычке при прокатке металла в разделительных калибрах квадратной и круглой формы при полном и неполном заполнении калибра.

4. Результаты экспериментальных исследований технологии прокатки-разделения в разделительном калибре для раската различного поперечного сечения с полным и неполным заполнением калибра.

5. Новые технические и технологические решения усовершенствования технологии прокатки с продольным разделением металла, контролируемым разделением в валках и с помощью неприводного делительного инструмента.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.16.05 — Обработка металлов давлением, п. 2 «Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью методов физического и математического моделирования», п. 4 «Оптимизация процессов и технологий обработки давлением для производства металлопродукции с заданными характеристиками качества», п. 6 «Разработка способов, процессов и технологий для производства металлопродукции, обеспечивающих экологическую безопасность, экономию материальных и энергетических ресурсов, повышающих качество и расширяющих сортамент изделий».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции прокатчиков «Новые технологические процессы прокатки как средство интенсификации производства и повышения качества продукции» (Челябинск, 1989 г.) — на международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2007 г.) — на седьмом конгрессе прокатчиков (Москва, 2007 г.) — на 14 — 16 Всероссийских научно-практических конференциях «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, 2010;2012 гг.).

Комплекс научных и промышленных исследований по разработке и освоению технологического процесса двухручьевой прокатки-разделения арматурной стали на ОАО «Амурметалл» отмечен серебряной медалью выставки «Металл-Экспо 2006» и золотой медалью на ХШ международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах, в том числе 9 из перечня рецензируемых научных журналов, а также в одном патенте.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 109 наименований и 5 приложений, содержит 63 рисунка, 22 таблицы и изложена на 150 страницах машинописного текста.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. По результатам анализа литературных источников установлено, что наиболее эффективным способом повышения производительности прокатного стана и снижения затрат энергоносителей является технология прокатки-разделения.

2. На основе анализа действия сил в разделительном калибре установлено, что при разделении металла с незаполнением калибра в перемычке возникают продольные растягивающие силы, которые могут привести к ее разрушению. При полном заполнении разделительного калибра металлом величина растягивающих напряжений значительно меньше и разрушения перемычки не происходит.

3. По результатам компьютерного моделирования формоизменения металла получена картина изменения напряженно-деформированного состояния металла в сечениях очага деформации при прокатке в разделительном калибре. Показано, что с увеличением степени деформации в разделительном калибре интенсивность деформаций возрастает. Интенсивность напряжений резко уменьшается при больших степенях деформации перемычки при незаполненных калибрах. При прокатке с полным заполнением калибра интенсивность напряжений снижается незначительно.

4. Проведены экспериментальные исследования технологии прокатки-разделения. Установлено, что для прокатки-разделения оптимальная толщина перемычки составляет 1 мм и ширина — 0,3 — 0,6 мм. Показано, что результаты экспериментальных исследований хорошо подтверждают данные компьютерного моделирования. С учетом теоретических и экспериментальных данных разработана методика расчета разрезного и подготовительного калибров.

5. Установлено, что при прокатке-разделении на стане 320/150 ОАО «Амурметалл» при производстве арматурных профилей № 10 и № 12 усилия и моменты прокатки не превышают допустимых значений. Механические свойства, микрои макроструктура прокатанного металла удовлетворяют требованиям ГОСТ 5781– — 82. Поверхностные дефекты на готовом профиле не обнаружены.

В результате внедрения технологии продольного разделения металла в потоке прокатного стана производительность стана 320/150 увеличилась на 55,4%, расход электроэнергии сократился на 30%. Выведены из работы три прокатные клети. Долевой экономический эффект за 2010 г. составляет 10,4 млн. рублей, что подтверждается актами внедрения.

6. При использовании технологии прокатка-разделение на ОАО «ЕВРАЗ-ЗСМК» при прокатке арматурных профилей № 10 и № 12 показано, что усилия и моменты прокатки не превышают допустимых значений. Механические свойства микрои макроструктуры прокатанного металла удовлетворяют требованиям ГОСТ-5781 — 82. Поверхностные дефекты на готовом профиле не обнаружены.

В результате внедрения технологии продольного разделения металла в потоке прокатного стана производительность стана 250−1 увеличилась на 31%, расход электроэнергии сократился на 23%. Выведены из работы две прокатные клети. Долевой экономический эффект диссертанта составляет 8,7 млн. рублей, что подтверждается актами внедрения.