Автореферат (Совершенствование оборудования и разработка ресурсосберегающих технологий листовой прокатки стали и сплавов с заданными свойствами и структурой)

54

На правах рукописи

АЛДУНИН Анатолий Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ЛИСТОВОЙ ПРОКАТКИ СТАЛИ И СПЛАВОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ И СТРУКТУРОЙ

Специальность 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы

(металлургия)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете и Московском государственном вечернем металлургическом институте.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кривонос Георгий Александрович

доктор технических наук, профессор Никитин Георгий Семенович

доктор технических наук, профессор Галкин Александр Михайлович

Ведущая организация: ОАО «Институт Цветметобработка».

Защита диссертации состоится «18» февраля 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.127.01 при Московском государственном вечернем металлургическом институте по адресу: 111250, г. Москва, Лефортовский вал, д. 26.

Телефон (495) 361-14-80, факс (495) 361-16-19, e-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Лефортовский вал, д. 26, МГВМИ, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государствен- ного вечернего металлургического института.

Автореферат разослан «____» ______________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Башкирова Т.И.

Актуальность проблемы. Расширение номенклатуры изготавливаемых машин и конструкций, эксплуатируемых в сложных условиях нагружения, предъявляет все более жесткие требования к комплексу физико-механических свойств и точности геометрических размеров плоского проката из стали и цветных металлов.

Качество проката зависит от степени совершенства оборудования и технологий его производства. В настоящее время при проектировании прокатного оборудования еще недостаточно внимания уделяется вопросам обеспечения качества продукции по структуре и пластичности металла, стабилизации нагрузок на оборудование, повышению продольной устойчивости прокатываемых полос, а также температурному режиму и стойкости валков.

В связи с дальнейшим освоением быстродействующей управляющей и вычислительной техники большую актуальность имеют вопросы математического описания технологических процессов, включая физические явления в обрабатываемом металле, и разработки критериев оптимальности управления этими процессами.

Таким образом, совершенствование оборудования, исследование основных закономерностей формирования структуры и свойств металла при прокатке полос и лент, технологических и силовых ограничений, разработка математических моделей и алгоритмов имеют важное научное и практическое значение. Разработка на этой базе новых технологических и технических решений является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с координационными планами НИР Министерств и ведомств МИСиС, ЛГТУ, ОАО «Институт Цветметобработка» и МГОУ. Результаты разработки и внедрения технологии производства лент из бериллиевых бронз ответственного назначения отмечены Серебряной медалью Международной выставки «Металл-Экспо» в 2005 году.

Цель работы. Совершенствование оборудования и разработка эффективных технологических процессов производства плоского проката на основе ресурсосбережения, закономерностей формирования структуры для получения заданных физико-механических свойств металла при снижении энергосиловой нагрузки на станы.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:

1) усовершенствование методов технологического проектирования листопрокатного оборудования на основе анализа состава действующих промышленных компоновок, учитывающее структурные преобразования и более полное использование ресурса пластичности при достижении заданного качества проката;

2) исследование температурных полей, термических и остаточных напряжений для повышения стойкости, долговечности и надежности рабочих валков;

3) теоретическое и экспериментальное исследование влияния натяжения прокатываемых полос на силовые и деформационные параметры для снижения нагрузки на оборудование;

4) анализ напряженно-деформированного состояния прокатываемых полосы с целью выравнивания распределения деформации по всей толщине и соответствующего уменьшения числа проходов и клетей;

5) исследование условий деформирования раската в горизонтальных и вертикальных валках для обеспечения его продольной устойчивости, стабилизации уширения и влияния на них режима натяжения с целью снижения энергосиловых параметров и повышения выхода годного;

6) разработка методики физического моделирования условий завершения процесса формирования структуры низкоуглеродистой стали и сплавов цветных металлов к началу последующего обжатия полос на станах для снижения нагрузок на рабочие валки и гарантированного получения заданных физико-механических свойств;

7) разработка основных принципов оптимизации процессов горячей прокатки полос для создания на их основе усовершенствованных технологий производства, повышения производительности, надежности оборудования и улучшения качества продукции.

Научная новизна. 1. Разработана новая научно-обоснованная методология технологического проектирования и компоновки оборудования для производства качественных полос и лент, учитывающая завершенность процесса формирования структуры к началу последующего обжатия, ресурс пластичности деформируемого металла и обеспечивающая повышение долговечности оборудования.

2. Впервые разработаны основы теории расчета новых конструкций нереверсивных клетей с обводным устройством для параллельной горячей прокатки полос, позволяющие уменьшить число клетей, повысить производительность и улучшить качество проката.

3. Разработана теория расчета температурных полей, термических и остаточных напряжений рабочих валков полосовых станов горячей прокатки с системой интенсивного охлаждения, позволяющая существенно повышать их стойкость и стабилизировать температурный режим прокатываемых полос.

4. Разработана теория продольной устойчивости прокатываемых полос в горизонтальных и вертикальных валках полосового стана, стабилизации процессов уширения, более полного использования ресурса пластичности и величины проникновения деформации, а также совершенствования методики выбора режима межклетевого натяжения раската для снижения нагрузок на оборудование, существенного сокращения числа клетей и минимизации числа проходов.

5. Разработана теория формирования заданной структуры при непрерывной горячей прокатке полос и созданы научные основы методологии проектирования новых компоновок оборудования НШСГП с повышенной производительностью и гарантированным качеством проката; впервые созданы качественные трехмерные диаграммы рекристаллизации аустенита стали Ст3сп и сплава «цинк-титан» в координатах «обратная температура 1/Т – логарифм относительного обжатия lgε – логарифм времени lgτ», позволяющие оптимизировать режим горячей прокатки полос по их структуре, гарантировать получение заданных свойств и минимизировать силовые параметры.

6. Научно обоснована и разработана методология построения алгоритма расчета настройки чистовой группы клетей НШСГП на производство проката с заданными структурой и механическими свойствами, позволяющая снижать расход энергии на производство полос.

7. Разработаны научно-обоснованные зависимости физико-механических свойств бериллиевой бронзы и цинк-титанового сплава от основных технологических параметров, позволяющие производить прокат требуемого качества с широкой гаммой свойств в соответствии с международными стандартами и уточнять усилия при последующей обработке давлением.

8. Впервые разработана обобщенная зависимость величины предельного относительного обжатия раската от отношения размеров и модуля упругости E в широком диапазоне их изменения при прокатке черных и цветных металлов в вертикальных валках полосовых станов для получения качественной продукции и создания систем настройки валков.

Практическая значимость и реализация результатов работы. 1. Предложен новый состав технологического оборудования для производства лент бериллиевой бронзы из укрупненной заготовки. Внедрен новый режим прокатки полосовой заготовки толщиной 6 мм за восемь проходов вместо девяти на двухвалковом стане 700×1300 (технологическая инструкции ТИ СМК-23/27-6-2003); уменьшено с четырех до трех число прокатных переделов; освоен выпуск проката с более широкой гаммой механических свойств и точностью по толщине, соответствующей требованиям международных стандартов; выход годного увеличен на 8,8 % за счет стабилизации механических свойств и структуры, а также сокращения расслоений, краевых трещин и обрывов при прокатке (Московский завод по обработке цветных металлов).

2. Повышена эксплуатационная надежность двухвалкового полосового стана 700×1300 за счет совершенствования режимов охлаждения и соответственно снижения температурного градиента, термических и остаточных напряжений рабочих валков. В результате время между перевалками увеличено на 8-10 % (Московский завод по обработке цветных металлов).

3. Разработанные математические модели структурообразования низкоуглеродистой стали Ст3сп используются в алгоритмах расчета сопротивления деформации прокатываемых полос в системе начальной настройки клетей чистовой группы стана 2000; применение данных моделей повысило точность настройки стана, улучшило структуру и увеличило стабильность механические свойства производимых горячекатаных полос в 1,2-1,8 раза (Ново-Липецкий металлургический комбинат).

Алгоритм расчета настройки НШСГП и входящие в него в виде констант результаты экспериментов необходимы при разработке конструкций станов нового поколения и систем автоматического управления качеством горячекатаных стальных полос.

4. Разработаны температурно-деформационные и скоростные режимы горячей и неполной горячей прокатки полос из сплава «цинк-титан» на реверсивном четырехвалковом стане 400/1000×1000, при которых ресурс пластичности обрабатываемого материала используется более полно, чем по действующей технологии. Внедренный режим неполной горячей прокатки цинк-титанового сплава обеспечил улучшение и стабилизацию комплекса механических свойств готового проката с уменьшением диапазона их разброса в 1,4-1,6 раза и соответственно условий работы рабочих валков (Московский завод по обработке цветных металлов).

5. Разработаны и внедрены рациональные режимы обжатий по ширине полос при горячей прокатке медных сплавов на реверсивном двухвалковом стане 850×1000, обеспечивающие уменьшение разноширинности на выходе из стана в среднем на 4 мм без потери продольной устойчивости полосы и перегрузки валков (Кольчугинский завод по обработке цветных металлов).

6. Разработана и промышленно апробирована новая конструкция двухвалковой клети, позволяющая уменьшить число рабочих клетей стана на 8-10 %, защищенная авторским свидетельством на изобретение.

7. Разработанная методика расчета проникновения пластической деформации по всему сечению прокатываемой полосы для уточнения числа проходов и соответственно усилий используется при проведении практических занятий по дисциплинам «Конструирование машин и оборудования металлургического производства» и «Теория обработки металлов давлением» (Московский государственный открытый университет).

8. Использование и внедрение результатов работы в промышленности позволило получить экономический эффект около 15,2 млн. руб. и освоить производство новых видов прокатной продукции.

Обоснованность и достоверность основных положений и результатов диссертации определяется применением аналитических методов исследования, использованием фундаментальных основ теории прокатки, методов математической статистики, современных методов физического моделирования и пластометрических испытаний, применением компьютерных технологий и практической реализацией в условиях реального производства.

Личный вклад соискателя. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, диссертантом предложены основные идеи и выполнены теоретические, технические и технологические разработки, а также сделан обобщающий анализ результатов.

Положения, выносимые на защиту. 1. Новая методология технологического проектирования и компоновки оборудования для производства качественных полос и лент, учитывающая основные закономерности формирования структуры и ресурс пластичности деформируемого металла.