Совершенствование режимов прокатки и калибровки валков на основе исследований выкатываемости поверхностных дефектов с целью повышения качества сортового проката

Качество металлопроката является комплексным понятием, характеризующим соответствие продукции требованиям нормативных документов по таким основным показателям, как: макроструктура, наличие поверхностных дефектов, механические свойства, форма и геометрические размеры.

Отличительной особенностью процессов формирования качества металлопроката является сложность и многостадийность, которая обусловлена значительным вкладом в свойства готовой продукции технологических особенностей предыдущих переделов. Фактически формирование качества металлопроката начинается с выплавки и разливки стали и завершается технологическими операциями по отделке готовой продукции в прокатных цехах.

В последнее время исследователями значительное внимание уделяется вопросам улучшения качества продукции за счет разработки и совершенствования режимов прокатки. Вопросам формоизменения поверхностных дефектов в процессе прокатки и выбора оптимальной формы калибров посвящены работы Ю. В. Зильберга, Г. С. Уткина, В. В. Дорофеева и др. В связи с вышеупомянутой сложностью процессов формирования качества проката широкое распространение получают методы математического моделирования с использованием специализированных программных комплексов, таких как DEFORM 3D, QFORM. Существуют положительные примеры внедрения рекомендаций, основанных на результатах математического моделирования, в производственный процесс на Новолипецком и Магнитогорском металлургических комбинатах, Выксунском металлургическом заводе.

В целом, можно констатировать, что исследования, посвященные вопросам улучшения качества металлопроката, будут оставаться одним из наиболее перспективных научных направлений в ближайшее время. Диссертация выполнена при научной консультации к.т.н. A.A. Уманского.

Актуальность работы:

Современный этап развития прокатного производства характеризуется постоянным повышением требований к качеству выпускаемой продукции. При этом одной из наиболее значимых характеристик качества металлопроката является наличие на его поверхности дефектов. Поверхностные дефекты, являясь концентраторами напряжений, значительно ухудшают прочностные и пластические характеристики проката в процессе его дальнейшей обработки и эксплуатации.

Опыт работы большинства действующих прокатных станов показывает, что дефекты на поверхности металлопроката являются одной из основных причин получения продукции несоответствующего качества. При этом в структуре брака наибольшую долю занимают дефекты, перешедшие на готовый прокат с исходных заготовок.

Несмотря на значительное количество исследований по вопросу образования и развития поверхностных дефектов можно констатировать, что на сегодняшний день отсутствует единое мнение о влиянии технологических параметров прокатки на качество поверхности готовой металлопродукции. Данный факт объясняется сложностью и недостаточной изученностью процессов течения металла при прокатке в калибрах. Таким образом, исследования закономерностей формоизменения поверхностных дефектов заготовок при прокатке в калибрах на сегодняшний день продолжают оставаться актуальными.

Данный тезис подтверждается тем, что настоящая работа выполнялась в соответствии с Государственной программой «Основы политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу» от 30 марта 2002 г. и перечнем критических технологий РФ «Компьютерное моделирование», «Энергосбережение».

Цель работы: Разработка комплекса технических и технологических решений, обеспечивающих повышение качества сортового проката.

Основные задачи:

1. Исследование влияния параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов заготовок при прокатке в калиброванных валках.

2. Анализ влияния напряженно-деформированного состояния на течение деформируемого металла в различных зонах сортовых калибров в зависимости от их формы.

3. Разработка мероприятий по совершенствованию технологии производства металлопродукции на мелкосортных станах с целью повышения качества поверхности готового проката.

4. Обоснование экономической эффективности предлагаемых технических и технологических решений при внедрении в производство.

Научная новизна:

1. Получены новые научные данные о влиянии параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов при сортовой прокатке в калибрах простой формы.

2. Установлены закономерности формоизменения металла при деформации в ящичных, овальных и ромбических калибрах и их влияние на выкатываемость дефектов при прокатке.

3. Определена взаимосвязь между напряженно-деформированным состоянием и перемещением поверхностных слоев металлаустановлены значения степени использования запаса пластичности в этих слоях и в среднем по сечению раската.

Практическая значимость:

1. Разработана методика опытно-промышленных испытаний в производственных условиях, позволившая производить оценку влияния параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов при минимизации числа опытов и прогнозировать качество продукции при сортовой прокатке.

2. Разработана и внедрена в производство новая калибровка валков черновой группы непрерывного мелкосортного стана 250−2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», позволившая повысить эффективность деформационных режимов прокатки при одновременном уменьшении энергосиловой нагрузки на основное оборудование.

3. В промышленных условиях с использованием результатов исследований получены опытные партии проката из конструкционных сталей повышенного качества, при этом выход годного увеличился на 3%.

Реализация результатов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и совершенствовании режимов прокатки на непрерывном мелкосортном стане 250−2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», в результате чего достигнуто повышение выхода годного при производстве проката по ГОСТ 10 702–78 и получен экономический эффект 723,7 тыс. руб. при долевом участии автора 289,5 тыс. руб.

Научные результаты диссертационного исследования используются при подготовке студентов по специальности 150 106 «Обработка металлов давлением» в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Использование результатов работы в производственном и учебном процессах подтверждены соответствующими актами внедрения.

Методы исследования.

1. Метод конечных элементов при использовании специализированного программного комплекса DEFORM 3D.

2. Методы теории подобия и моделирования процессов обработки металлов давлением при проведении лабораторных экспериментов.

3. Методики статистического анализа экспериментальных данных.

Достоверность и обоснованность полученных выводов и результатов подтверждается: совместным использованием воспроизводимых по точности методов математического моделирования процессов прокатки, основанных на современных достижениях теории пластичности, и методик проведения экспериментов в лабораторных и промышленных условияхиспользованием методов планирования экспериментовэффективностью полученных результатов при использования в действующих прокатных цехах, что подтверждено актом внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всероссийских научно-практических конференциях «Металлургия: Технологии, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, 2010 г. и 2011 г.) — международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2012» (г. Одесса (Украина), 2012 г.).

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов заготовок при прокатке в калиброванных валках.

2. Методика и результаты исследований формоизменения металла при развитии поверхностных дефектов заготовок в процессе прокатки сортовых профилей на промышленном мелкосортном стане 250−2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК».

3. Полученные закономерности течения металла в различных зонах сортовых калибров при прокатке и закономерности их взаимосвязи с напряженно-деформированным состоянием металла.

4. Новая калибровка непрерывного мелкосортного стана 250−2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», разработанная на основе проведенных исследований.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 печатных работах, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, приложения, изложена на 117 страницах, содержит 58 рисунков, 14 таблиц и список использованных источников из 67 наименований.

Основные выводы.

1. В результате исследований, проведенных на лабораторном стане «ДУО-80» и промышленном непрерывном мелкосортном стане 250−2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», определены закономерности влияния калибровки валков на изменение глубины поверхностных дефектов в процессе прокатки. По полученным данным наиболее благоприятные условия для выкатываемости поверхностных дефектов создаются при обеспечении высокой степени подобия формы исходного подката и калибра, используемого для прокатки.

2. Получены аналитические зависимости изменения глубины дефектов от коэффициента вытяжки полосы при прокатке. Нелинейный характер зависимостей, полученный для всех вариантов калибровки и месторасположения дефектов на заготовке, связан с изменением соотношения глубины проникновения деформации в образец с глубиной залегания дефекта.

3. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика опытно-промышленных испытаний в производственных условиях, позволившая производить оценку влияния параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов при минимизации числа опытов и прогнозировать качество продукции при сортовой прокатке.

4. В ходе проведения лабораторных и промышленных экспериментов установлена взаимосвязь между месторасположением дефектов на поверхности заготовки и интенсивностью уменьшения их глубины в процессе деформации в сортовых калибрах. Показано, что дефекты на ребрах заготовок выкатываются интенсивнее по отношения к дефектам, расположенным на гранях заготовок. Также установлено, что в наименьшей степени выкатываются дефекты вблизи концевых участков раската.

5. В результате опытной прокатки заготовок на мелкосортном стане 250−2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» определено, что при повышении интенсивности охлаждения граней раската водой, подаваемой на валки, выкатываемость поверхностных дефектов ухудшается. При увеличении интенсивности охлаждения заготовки водой в 1,5 раза глубина дефектов в процессе прокатки снижается в 1,17^-1,25 раза менее интенсивно.

6. Проведено моделирование напряженно-деформированного состояния металла при прокатке заготовок в калибрах различной формы с использованием специализированного инженерного программного комплекса DEFORM-3D. По полученным данным наибольшее исчерпание запаса пластичности происходит в тех зонах калибра, где имеет место только вертикальное перемещение металла при деформации.

7. Разработана новая калибровка валков черновой группы клетей мелкосортного стана 250−2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Использование указанной калибровки позволило увеличить выход годного при производстве конструкционного проката по ГОСТ 10 702–78 на 3% при одновременном уменьшении загрузки приводов клетей. Экономический эффект, подтвержденный актом внедрения, составил 723,7 тыс. руб. при долевом участии автора 289,5 тыс. руб.