Моделирование и исследование мощности процесса холодной прокатки для экономии энергии на непрерывных широкополосных станах

Актуальность работы.

Холодная прокатка широких стальных полос требует больших энергетических затрат, так как металл, деформируемый в холодном состоянии, имеет значительное сопротивление деформации, из-за наклепа изменяющееся от 250−300 МПа до 600−800 МПа. Суммарное обжатие на современных станах холодной прокатки достигает 75−85%, а скорости — 25−35 м/с. Эти условия требуют оснащения непрерывных станов двигателями главного привода с суммарной установочной мощностью 20 000−40 000 кВт и ежесуточным расходом электроэнергии, измеряемым сотнями тысяч киловатт-часов. Доля электроэнергии в расходах по переделу при производстве холоднокатаных полос и листов достигает 20%, поэтому снижение энергозатрат в процессах холодной прокатки является одной из приоритетных задач листопрокатного производства.

Решение этой задачи возможно за счет оптимизации технологических режимов и конструктивных параметров станов холодной прокатки, для чего необходима достоверная методика расчета мощности процесса прокатки.

Методики расчета мощности, наиболее распространенные в конструкторской и технологической практике, создавались в середине 20 века, применение их для современных станов с изменившимися технологическими режимами и сортаментом приводит к погрешностям, достигающим 30−50% и более относительно фактической мощности.

Столь значительные погрешности этих методик объясняются тем, что они не учитывают влияния на работу холодной прокатки напряженного состояния металла в упругих участках очага деформации, протяженность которых на современных станах достигает 30−40% от общей длины дуги контакта, и, кроме того, пренебрегают работой переменных сил трения по длине очага деформации.

Учитывая изложенное, разработка достоверной методики расчета мощности холодной прокатки, обладающей минимальной погрешностью относительно данных измерений — актуальная научно-техническая задача.

Задачи работы.

Задачами диссертационной работы являлись:

— разработка новой методики расчета мощности процесса холодной прокатки, учитывающей напряженное состояние металла как в пластических, так и в упругих участках очага деформации и работу сил трения, переменных по длине дуги контакта;

— промышленная апробация на действующих станах разработанной методики с целью оценки ее точности и достоверности;

— исследование с помощью разработанной методики влияния основных параметров стана и процесса прокатки на мощность прокатки;

— разработка оптимизированных режимов холодной прокатки для непрерывных станов по критерию минимизации затрат энергии;

— использование новой методики расчета мощности для определения конструктивных параметров валкового узла, обеспечивающих экономию энергии в рабочих клетях непрерывных станов.

Все исследования и разработки по теме диссертации проводились по трем основным направлениям. 1. Теоретические исследования:

— разработка новой методики расчета мощности процесса холодной прокатки;

— оценка достоверности разработанной методики путем статистической обработки результатов сопоставления данных измерений и расчетов мощности прокатки;

— компьютерное исследование влияния основных параметров стана и процесса прокатки на мощность прокатки;

— получение зависимостей мощности прокатки от факторов технологического процесса непрерывного стана.

2. Работы по совершенствованию оборудования и технологических процессов:

— разработка способа холодной прокатки на непрерывном стане, снижающего энергозатраты посредством корректировки технологических параметров;

— обоснование целесообразности использования на непрерывных станах холодной прокатки рабочих клетей с уменьшенным в 2,5−3 раза диаметром бочки рабочих валков по сравнению с существующими клетями.

3. Экспериментальные исследования:

— проведение промышленных исследований технологических и энергосиловых параметров на действующем 5-ти клетевом стане «1700» с целью получения экспериментальных данных о фактических режимах прокатки и расходах энергии;

— промышленная проверка на стане эффективности способа холодной прокатки, обеспечивающего снижение энергозатрат посредством корректировки технологических параметров.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана новая методика расчета мощности процесса холодной прокатки, которая имеет следующие отличия от известных:

— учитывает работы сил, возникающих в очаге деформации под воздействием как нормальных, так и касательных контактных напряжений;

— раздельно учитывает работы сил, направленных вдоль оси прокатки и перпендикулярно к этой оси на каждом из упругих и пластических участков очага деформации;

— учитывает противоположное направление касательных напряжений в зонах отставания и опережения.

2. В результате исследований новой методики расчета мощности процесса холодной прокатки установлено:

— в зонах опережения пластического и второго упругого участков валки не совершают работу, напротив: полоса возвращает валкам часть энергии, полученной ею при прохождении первого упругого участка и зоны отставания пластического участка. При отсутствии в очаге деформации зоны опережения указанного возврата части энергии от полосы к валкам не происходит.

— преобладающее влияние на величину мощности прокатки положений нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей, изменяемых путем перераспределения между клетями обжатий и натяжений.

— зависимости мощности прокатки от коэффициента трения и заднего натяжения носят качественно иной характер, чем зависимости от этих параметров контактных напряжений и усилий прокатки: при увеличении коэффициента трения и заднего натяжения мощность прокатки может увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменной, в зависимости от изменения соотношений между протяженностями зон отставания и опережения в очаге деформации.

3. Анализ структурных составляющих удельной работы прокатки показал, что эту работу совершают только касательные контактные напряжения в очаге деформации, причем свыше 99,5% всей работы приходится на долю проекций касательных напряжений на ось прокатки. Следовательно, формула Финка непригодна даже для приближенного расчета мощности, так как ее использование противоречит физической сущности процессов, происходящих в очаге деформации.

Практическая ценность.

1. Новая методика расчета мощности процесса холодной прокатки реализована в виде компьютерной программы и апробирована на широком спектре промышленных режимов непрерывного стана, при этом со статистической достоверностью установлено, что погрешности расчета по новой методике в 5−7 раз меньше погрешностей расчета по наиболее распространенным из методик, используемым в конструкторской и технологической практике.

2. Разработан и оформлен в виде заявки на патент РФ способ холодной прокатки на непрерывном стане, обеспечивающий снижение энергозатрат на.

4−8% посредством целенаправленной корректировки технологических параметров (перераспределения частных обжатий и натяжений между клетями).

3. С использованием новой методики расчета мощности холодной прокатки проанализированы зависимости энергозатрат непрерывного широкополосного стана от диаметра рабочих валков. При этом установлено, что уменьшение диаметра рабочих валков до 200 мм обеспечивает, существенную экономию электроэнергии, составляющую, в зависимости от сортамента, 5−40%. Эти результаты целесообразно учитывать при конструировании новых и реконструкции действующих станов.

Аннотация диссертационной работы по главам.

В первой главе рассмотрена актуальность проблемы повышения точности расчета мощности прокатки. Проведен анализ существующих математических моделей для расчета мощности холодной прокатки. Сделано заключение о невозможности их использования в конструкторской и технологической практике современного производства холоднокатаного листа из-за ряда недостатков, наиболее существенные из которых — пренебрежение напряженным состоянием упругих участков и работой переменных сил трения в очаге деформации.

Вторая глава содержит основные положения новой методики расчета мощности процесса холодной прокатки и выводы всех необходимых формул как для традиционной структуры очага деформации, так и для случая отсутствия нейтрального сечения.

В третьей главе представлены данные о фактических режимах прокатки различных маркои профилеразмеров на 5-ти клетевом стане холодной прокатки «1700» ОАО «Северсталь», соответствующих им расчетных и фактических значений мощности двигателей главного привода рабочих клетей.

Представлены результаты статистической оценки точности новой методики, кроме того, выполнена сопоставительная оценка точности расчета мощности прокатки по новой и известным методикам.

В четвертой главе изложены результаты компьютерного исследования влияния на мощность прокатки коэффициента трения, относительного обжатия и межклетевых натяжений.

В пятой главе представлены результаты использования теоретических разработок для совершенствования технологии и оборудования станов холодной прокатки: способ прокатки на непрерывном стане, обеспечивающий снижение энергозатрат посредством корректировки технологических параметров и результаты исследования влияния уменьшения диаметра рабочих валков на мощность прокатки.

Произведено обоснование целесообразности использования на непрерывных станах холодной прокатки рабочих клетей с диаметром рабочих валков 200−250 мм, вместо 500−600 мм.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции «Теория и практика производства листового проката» (г. Липецк, март 2003 г.), на V конгрессе прокатчиков (г. Череповец, октябрь 2003 г.) и на IV Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (г. Череповец, декабрь 2003 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей, подготовлена одна заявка на патент Российской Федерации.

Работа выполнялась в Череповецком государственном университете в период с 2001 г. по 2004 г.

Промышленные исследования проводились на ОАО «Северсталь».

1. Актуальность разработки уточненного расчета мощности станов холодной прокатки.

Выводы по главе 5.

1. Промышленными данными подтверждено, что оптимизация режимов холодной прокатки на непрерывных станах по критерию минимальных затрат энергии на основе изложенного метода позволяет обеспечить экономию электроэнергии в объеме 4−8% без ухудшения качества поверхности холоднокатаных полос.

2. Исследование зависимостей мощности прокатки от диаметра бочки рабочих валков в реальном диапазоне диаметров современных станов (200−600 мм) показало наличие двух альтернативных вариантов этих зависимостей. В первом варианте, имеющем место, когда в рабочей клети показатель Х (=1 (зона опережения отсутствует) с уменьшением диаметра происходит существенное уменьшение мощности. Во втором варианте, когда показатель Xt.

Изменение суммарной мощности непрерывного стана при уменьшении диаметра рабочих валков с 600 мм до 200 мм зависит от толщины полос, преобладающих в сортаменте стана:

— если в сортаменте преобладает автомобильный лист (h=0,7-l мм) суммарная мощность уменьшается на 15−20%.

— если в сортаменте преобладают более тонкие профили (h=0,2−0,4 мм и менее) суммарная мощность может возрасти на 3−5% или остаться без изменения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Методами математического моделирования и промышленных экспериментов проведены исследования мощности процесса холодной прокатки с целью совершенствования технологических режимов и конструкции непрерывных станов по критерию обеспечения минимальных энергозатрат.

Результаты проведенной работы заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ существующих методик расчета мощности холодной прокатки, сделано заключение о невозможности их использования в конструкторской и технологической практике современного листопрокатного производства в связи со значительными расхождениями результатов расчета с данными измерений.

2. Разработана новая методика расчета мощности процесса холодной прокатки, которая имеет следующие отличия от известных:

— учитывает работы сил, возникающих в очаге деформации под воздействием как нормальных, так и касательных контактных напряжений;

— раздельно учитывает работы сил, направленных вдоль оси прокатки и перпендикулярно к этой оси на каждом из упругих и пластических участков очага деформации;

— учитывает противоположное направление касательных напряжений в зонах отставания и опережения.

3. Выполнена промышленная апробация новой методики с целью оценки ее достоверности. Для этого создана базы данных, содержащая информацию о 50 фактических режимах прокатки на непрерывном стане бесконечной прокатки. С использованием статистических методов доказано, что новая методика обеспечивает расчет мощности прокатки со средней погрешностью в.

7 раз меньшей и средним квадратическим отклонением в 5,3 раза меньшим, чем при расчете по известной методике, основанной на формуле Финка.

4. С использованием разработанной методики выполнено компьютерное исследование влияния основных параметров непрерывного стана и процесса прокатки на мощность прокатки, в результате которого установлено следующее:

— в зонах опережения очагов деформации рабочих клетей валки не совершают работу, напротив: полоса возвращает валкам часть энергии, полученной ею при прохождении зоны отставания. При отсутствии в очаге деформации зоны опережения указанного возврата части энергии от полосы к валкам не происходит;

— преобладающее влияние на величину мощности прокатки оказывают положения нейтральных сечений в очагах деформации рабочих клетей, изменяемые путем перераспределения между клетями обжатий и натяжений;

— зависимости мощности прокатки от коэффициента трения и заднего натяжения носят качественно иной характер, чем зависимости от этих параметров контактных напряжений и усилий прокатки: при увеличении коэффициента трения и заднего натяжения мощность прокатки может увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменной, в зависимости от изменения соотношений между протяженностями зон отставания и опережения в очаге деформации.

5. Анализ структурных составляющих удельной работы прокатки показал, что эту работу совершают только касательные контактные напряжения в очаге деформации, а работы составляющих нормальных контактных напряжений, параллельных и перпендикулярных оси прокатки, взаимно компенсируют друг друга. Следовательно, формула Финка непригодна даже для приближенного расчета мощности, так как ее использование противоречит физической сущности процессов, происходящих в очаге деформации.

6. На основе результатов теоретических исследований разработан в виде заявки на патент РФ способ непрерывной прокатки полос на многоклетевом стане, обеспечивающий минимальные энергозатраты посредством целенаправленной корректировки параметров процесса прокатки.

7. С использованием новой методики расчета мощности холодной прокатки проанализированы зависимости энергозатрат непрерывного широкополосного стана от диаметра рабочих валков. При этом установлено, t что уменьшение диаметра рабочих валков до 200 мм обеспечивает, существенную экономию электроэнергии, составляющую, в зависимости от сортамента, 5−40%. Эти результаты целесообразно учитывать при конструировании новых и реконструкции действующих станов.