Сравнительный анализ технологических параметров двух вариантов калибровки валков черновой группы клетей стана 370 ОАО «ММК» Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

С.С. Рычков

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Д.И. Кинзин

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВУХ ВАРИАНТОВ КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ ЧЕРНОВОЙ ГРУППЫ КЛЕТЕЙ СТАНА 370 ОАО «ММК»

Проведен анализ двух вариантов калибровки десяти черновых клетей стана 370 ОАО «ММК». Использование калибров новой формы позволит добиться более высокой стойкости валков. Меньший расход валков позволит сэкономить до 800 тыс. руб. в год. Более равномерное распределение нагрузок по клетям снизит вероятность поломок оборудования главных линий клетей из-за скачков момента в наиболее загруженных неравноосных клетях стана. Лучшие условия захвата и большая стабильность раската на входе в равноосные калибры уменьшит число застреваний. Кроме этого, изменившаяся схема деформации - с более высоким коэффициентом эффективности калибровки -повысит выкатываемость дефектов литейного производства.

Ключевые слова: метод конечных элементов, износ валков, калибровка валков, степень использования запаса пластичности.

Введение

Изменение калибровки валков может улучшить условия прокатки на стане - повысить механические свойства проката, качество поверхности, точность прокатки, снизить энергозатраты, парк и расход валков и т.д. [1-5]. Причем особый интерес представляют такие подходы, которые способны улучшить сразу несколько параметров производства. На кафедре обработки металлов давле-

нием Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова на протяжении длительного времени разрабатывают и совершенствуют методику расчета калибровки валков в рамках структурноматричного подхода, которая демонстрирует универсальность и способность положительно влиять на производственные показатели [4, 6-8].

Данная работа представляет собой продолжение начатого ранее исследования влияния различных геометрических соотношений в неравноосных калибрах на износ валков и степень использования запаса пластичности металла на выходе из равноосных калибров.

Цель работы: проанализировать влияние измененной формы неравноосных калибров на технологические параметры по итогам моделирования прокатки металла в используемых и предлагаемых калибрах черновой группы клетей стана 370 ОАО «ММК».

Задачи работы:

- определить условия моделирования;

- сравнить износ калибров, стойкость валков, степень использования запаса пластичности (СИЗП) раската на выходе из четных калибров двух калибровок; оценить энергосиловые параметры и параметры очагов деформации;

- критически оценить полученные качественные и количественные результаты. Выявить достоинства и недостатки предлагаемой калибровки;

- оценить необходимость дальнейшего совершенствования калибровки валков черновой группы клетей стана 370 ОАО «ММК».

Параметры моделирования процесса в программе «Deform 3D»

Условия моделирования в целом соответствуют данным предыдущего исследования износа [9].

Процесс: симметричный (использование четвертой части поперечного сечения заготовки и валков); установившийся (произвольное Лагранж-Эйлерово поведение элементов ALE); неизотермический (расчет температурного профиля

заготовки и валков); конечные элементы - гексаэдры. Заготовка: температура перед клетью 10000С; 200 элементов в поперечном сечении; 72 слоя в продольном сечении; более плотное размещение элементов в окрестности очага деформации с коэффициентом отношения 6/1; длина заготовки составляет не менее семи длин геометрического очага деформации; показатель трения - 0,52; материал - сталь АШ 1015 (сталь 15).

Валки: абсолютно жесткие, несжимаемые; 100 элементов в продольном сечении; 90 слоев в радиальном направлении; температура 500С; твердость по Роквеллу соответствует данным технологической инструкции, по сечению постоянная, от изменения температуры не зависит; скорость вращения валков в соответствии с установленными режимами прокатки при максимальной производительности (табл. 1).

Таблица 1

Параметры моделирования

Параметр Номер клети

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Твердость валков, ИКС 42,0 42,0 45,0 45,0 47,0 47,0 50,0 50,0 53,0 55,0

Частота вращения валков, об/мин 7,6 10,0 13,0 20,6 28,0 36,6 62,7 83,5 112,2 177,8

Ширина профиля в четных клетях, мм 115,5 95,0 70,0 51,0 38,4

Результаты

Износ калибров и энергосиловые параметры прокатки. На рис. 1 представлены основные размеры неравноосных калибров используемой и предлагаемой калибровок, а также поперечные сечения раскатов, полученные в результате моделирования.

Рис. 1. Сравнение используемых (слева) и предлагаемых (справа) неравноосных калибров черновой группы клетей стана 370 ОАО «ММК»

Основная тенденция - использование более высоких калибров, причем все предлагаемые неравноосные калибры имеют плоское дно. Это позволит получить более толстый раскат, снизить уширение и отношение ширины к высоте Н раската. Таким образом, эффективность предлагаемых на стане систем калибров оказывается выше, чем у используемых на данный момент - растет вытяжная способность новых систем калибров [7].

На рис. 2 показано изменение коэффициента равномерности распределения усилий прокатки по клетям стана в зависимости от типа используемой калибровки:

кру = ~

где Р - усилие прокатки в нечетной клети;

Р2 - усилие прокатки в четной клети.

В используемой калибровке указанное соотношение снижается по ходу прокатки и достигает значения 50% в паре калибров девятой и десятой клетей.

75 65

О4

Сц

55 45

1-2 3-4 5-6 7-8 9-10

группа клетей

Рис. 2. Сравнение равномерности распределения усилий прокатки по клетям для двух вариантов калибровки

Изменение формы неравноосного калибра снизит усилия прокатки в нечетных клетях, а изменившаяся форма раската на входе в четные клети увеличит усилия в них за счет большей площади контакта металла и валков (табл. 2 и 3). Это выравняет усилия прокатки в парах неравноосный -равноосный калибр. Максимальная разница между усилиями новой калибровки не превышает 35% в последней паре клетей.

Таблица 2

Технологические параметры, полученные в результате моделирования прокатки в используемых на стане 370 ОАО «ММК» калибрах

Параметр Номер клети

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Усилие прокатки, т 114 77 89 57 60 38 44 24 30 15

Момент прокатки, кНм 301 198 210 132 111 74 66 38 37 19

Длина очага деформации, мм 114 117 103 99 92 94 78 78 64 59

Площадь контакта, мм2 9713 6331 6307 4117 3592 2318 2196 1226 1389 716

Угол захвата, град 37 38 32 31 33 35 34 34 27 31

Износ максимальный, мкм 598 735 980 1463 975 1092 1447 1790 1076 1440

Износ осевой, мкм 598 735 566 679 975 871 1282 1695 1040 1281

Таблица 3

Технологические параметры, полученные в результате моделирования

прокатки в предлагаемых калибрах

Параметр Номер клети

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Усилие прокатки, т 112 78 83 60 58 41 39 28 26 17

Момент прокатки, кНм 300 202 194 131 100 75 54 43 30 19

Длина очага деформации, мм 113 115 89 92 91 91 75 75 62 57

Площадь контакта, мм2 9259 6631 5809 4595 3482 2750 2024 1715 1270 896

Угол захвата, град 36 38 28 29 33 33 32 33 26 30

Износ максимальный, мкм 681 706 2070 1370 903 1156 1228 1411 867 1148

Износ осевой, мкм 534 696 370 468 903 1141 1228 1277 867 1030

Неравноосные калибры с плоским дном обеспечивают снижение моментов прокатки от 5 до 11% со второй по пятую пары клетей (рис. 3). В первой паре клетей суммарный момент возрастает на 1%. Базовое значение параметров прокатки исходной калибровки составляет 100%.

ей

105

2 к 100

2 и їу Н

О Й « О £ £ 95

к 2 8 о 90 о 2

85

1-2 3-4 5-6 7-8

Г руппа клетей

9-10

Рис. 3. Относительное изменение суммарного момента прокатки по группам клетей при изменении калибровки

Результаты моделирования показали, что калибры новой формы повысили равномерность распределения усилий прокатки на 3, 12, 12, 35 и 28% для соответствующих пар клетей по ходу прокатки. Это снизит вероятность поломок оборудования главных линий рабочих клетей черновой группы стана 370 ОАО «ММК».

Интенсивность износа предлагаемых калибров замерялась в двух точках: на вертикальной оси калибра и в плоскости максимального обжатия металла валками. Базовые значения износа исходных калибров составляют 100% (рис. 4).

В большинстве случаев интенсивность износа валков уменьшается за счет меньших обжатий и уширений как в равноосных, так и в неравноосных калибрах (раскаты на выходе из предлагаемых неравноосных клетей уже и толще исходных). Относительный осевой износ усиливается в круглом калибре шестой

клети, а в плоскости максимального обжатия - в первой, третьей и шестой клетях.

о О

к

со К «

2 к

Л

ч

и н к

о о к н

о

123456789 10

Номер клети

Рис. 4. Качественное сравнение износа предлагаемых калибров

Стойкость валков. Важным параметром, влияющим на экономическую эффективность производства, является стойкость валков сортового стана горячей прокатки.

Возьмем за основу данные технологической инструкции: допустимое уменьшение диаметров валков, количество возможных переточек, величину съема и число калибров на бочках валков (табл. 4). Стойкость используемых калибров соответствует данным журнала перевалок за второй квартал 2013 г.

На рис. 5 представлена схема для расчета числа возможных переточек на примере третьей клети. От исходной величины съема Rисх определяется расстояние от выпуска калибра по нормали N. Затем, используя это значение, измеряется величина съема на предлагаемом калибре Rпpeдп.

Число возможных переточек вырастет на 10 в первой и третьей клетях - в 2,67 и 2,43 раза соответственно, из-за значительного изменения углов выпуска калибров. При этом стойкость калибров снизится в 1,14 и 2,12 раза. Стойкость калибров других валков повысится за счет снижения интенсивности износа по вертикальной оси, в плоскости максимального обжатия по всей дуге калибра.

Таблица 4

Данные для анализа стойкости валков после изменения калибровки Параметр ______________________Номер клети_____________________

эксплуатации валков 1 2 3 4 5 6 7 8 910

Допустимое уменьшение диаметра валка, мм 100 100 100 85 85 85 70 70 70 55

Масса валка, т 2,85 2,85 2,85 1,99 1,99 1,99 1,43 1,43 1,43 0,78

Количество переточек, шт 6 6 7 8 8 8 8 8 11 9

16 6 17 8 8 8 8 8 11 9

Выпуск, град. 9 10 18 30 49 30 55 30 52 30

25 10 50 30 45 30 46 30 50 30

Съем, мм 16,7 16,7 14,3 10,6 10,6 10,6 8,8 8,8 6,4 6,1

6,1 16,7 5,9 10,6 11,1 10,6 9,8 8,8 6,4 6,1

Калибров на бочке, шт 3 4 4 6 6 8 8 11 11 11

Стойкость калибра, тыс. т. 19,6 19,6 15,9 15,9 11,5 11,5 7,3 7,3 3,1 3,1

17,2 20,4 7,5 17,0 12,5 10,9 8,6 9,3 3,9 3,9

Стойкость валка до переточки, тыс. т 58,9 78,5 63,6 95,4 69,3 92,4 58,8 80,8 34,5 34,5

51,7 81,8 30,1 101,9 74,8 87,3 69,3 102,3 42,8 43,2

Г одовой расход валков, шт 2,57 1,93 2,08 1,23 1,70 1,27 2,00 1,46 2,56 3,08

1,18 1,85 1,96 1,16 1,63 1,35 1,88 1,15 2,07 2,45

Разница расхода валков 1,39 0,08 0,13 0,08 0,07 -0,07 0,13 0,31 0,49 0,62

Экономия валков, т 3,95 0,22 0,36 0,16 0,13 -0,15 0,18 0,44 0,70 0,49

Итого, т 6,47

Цветом выделены данные для предлагаемой калибровки; Годовой расход валков рассчитан при производстве 530 тыс. тонн в год.

N.

Кпредл

Рис. 5. Схема для расчета количества возможных переточек валков при использовании предлагаемых калибров

Предложенные изменения при уровне производства 530 тыс. тонн в год снизят расход валков на 6,5 тонн. При стоимости одной тонны валков 125 тыс. руб. ожидаемый годовой эффект составит более 800 тыс. руб.

Степень использования запаса пластичности. Мы провели качественное сравнение влияния калибров новой формы на СИЗП (табл. 3, 4), которая характеризует вероятность образования дефектов металла при прокатке под действием растягивающих напряжений. В «Deform 3D» СИЗП определяется критерием Кокрофта-Лэтема [10]. В калибрах с более стесненными условиями, меньшей неравномерностью деформации и пониженными абсолютными обжатиями вероятность образования дефектов ниже [11], что также подтвердилось в работах, посвященных исследованию поведения поверхностных трещин при прокатке сортовой заготовки и непрерывнолитых слябов [2, 12], а также поведения дефектов литейного производства [4, 5].

Значения СИЗП в процессе моделирования снимались на выходе из четных клетей, чтобы установить суммарный эффект в каждой из систем калибров. Моделирование провели в первой паре клетей, затем полученные значения СИЗП по сечению заготовки обнулялись и проводили моделирование в следующей паре клетей. Результаты (рис. 6) подтверждают установленные ранее закономерности.

В исходной калибровке абсолютные значения СИЗП достигают максимальных значений в паре клетей 7-8 и составляют 0,544. Минимальные значения в клетях 1-2 - 0,355. Это обусловлено тем, что суммарная относительная деформация в первой паре клетей равна 54%, а в четвертой паре клетей - 72%. Также в первой клети наименьшее отношение В/Н = 1,59, а в седьмой клети-наибольшее - 2,06. Системы калибров с минимальным отношением В/Н обладают наибольшей эффективностью, т.е. отношение объемов металла, смещенных в направлении прокатки, к объемам, смещенным по высоте, максимально.

В пяти парах клетей СИЗП по сечению раската снизилась. На выходе из четвертой и восьмой клетей новая форма калибров никак не повлияла на максимальные значения данной величины на свободной поверхности промежуточ-

ного раската. Во второй, шестой и десятой клетях снижение максимальных значений составило 3, 10 и 19% соответственно. Снижение средних значений от 2 до 15%. Высокие неравноосные калибры с малым В/Н и высокая эффективность новой калибровки в соответствии с опытом [4, 5] должна снизить объемы проката с литейными поверхностными дефектами.

105

с-100

го

к

о 95 5

к

Л

5 90

£

§ 85

н

О

80

1-2 3-4 5-6 7-8 9-10

Г руппа клетей

Рис. 6. Максимальные и средние значения СИЗП по сечению раскатов на выходе из четных клетей предлагаемой калибровки относительно значений используемой калибровки

Улучшение показателей СИЗП особенно актуально при производстве круглого проката в бунтах, так как к нему предъявляются жесткие требования по качеству поверхности и механическим свойствам, особенно при испытаниях на осадку в 66%.

Заключение

Разработанная калибровка валков обладает следующими преимуществами:

- снижены обжатия во всех десяти клетях;

- улучшены условия захвата металла валками (меньшие углы захвата и более интенсивная работа буртов на начальной стадии захвата металла);

- повышена стабильность раската на входе в равноосный калибр, т.к. получаемые плоские неравноосные раскаты проще удерживать роликами вводной арматуры, чем овальные раскаты;

- применение плоских роликов без калибров в конструкции привалко-вой арматуры;

- большая эффективность калибровки и пониженные затраты энергии на прокатку [6, 7];

- снижены значения СИЗП, что повысит выкатываемость дефектов литейного происхождения [2, 11];

- повышена стойкость валков за счет меньших обжатий и увеличения углов выпуска в первой и третьей клетях - повысится число возможных переточек валков - уменьшится расход валков во всех клетях, кроме шестой. Ожидаемый экономический эффект составит 800 тыс. руб. в год;

- за счет перераспределения вытяжек [7] удалось выравнять усилия и моменты между неравноосными и равноосными калибрами, что понизит вероятность поломок валков из-за скачков момента прокатки на наиболее загруженных неравноосных клетях;

- во всех парах калибров снизились либо остались на прежнем уровне максимальные и средние значения СИЗП металла.

Основной недостаток новой калибровки - необходимость более частых переходов и перевалок третьей клети из-за двукратного снижения стойкости калибров.

На данный момент согласована технология для проведения опытной прокатки с использованием калибра новой формы в пятой клети стана 370 ОАО «ММК». При необходимости по результатам опытной прокатки будут скорректированы условия моделирования и проведено уточнение износа с уче-

том изменения формы калибров в процессе прокатки металла на основе предыдущего исследования [9].

Библиографический список

1. Новые критерии технологичности при прокатке швеллеров на стане 450 / Д.В.Назаров, Е.А.Захаров, С.В.Денисов и др. // Сталь. 2009. №10. С. 40-44.

2. Мартьянов Ю.А. Совершенствование режимов прокатки и калибровки валков на основе исследований выкатываемости поверхностных дефектов с целью повышения качества сортового проката: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: Красноярск, 2013. 24 с.

3. Фастыковский А.Р., Перетятько В.Н. Оценка калибровок с учетом работоспособности валковой арматуры // Производство проката. 2002. № 11. С. 14-16.

4. Шубин И.Г., Тулупов С.А., Ратников В.Ф. Повышение качества поверхности сортовых заготовок путем совершенствования калибровки валков непрерывного заготовочного стана // Бюллетень научно-технической информации «Черная металлургия». 1991. №2. С. 50-51.

5. Моделирование калибровки валков для снижения дефектообразования при прокатке круглого профиля на стане 450 / С.Мроз, Х.Дыя, В.А.Трусов, А.В.Зиновьев // Производство проката. 2012. №8. С. 31-36.

6. Калугина О.Б, Кинзин Д.И., Рычков С.С. Комплексный подход к моделированию процесса формоизменения при прокатке с целью оптимизации параметров при прокатке // Материалы XIII Международной научно-технической конференции «ИТ-технологии: развитие и приложения». 14-15 декабря 2012 г. / Сев. -Кавказский горно-металлургич. ин-т (гос. техн. ун-т) СКГМИ (ГТУ); ин-т теоретической и прикладной информатики (ИТПИ) - Владикавказ: «Фламинго», 2012. С. 18-28.

7. Калугина О.Б. Оптимизация формы вытяжных калибров по критерию эффективности деформации с целью энергосбережения: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.16.05 Обработка металлов давлением. МГТУ им. Г.И. Носова, Магнитогорск. 2013. 20 с.

8. Совершенствование существующих технологических схем прокатки на основе оптимизации форм калибров с целью повышения качества сортовой продукции / С.А.Левандовский, А.Б.Моллер, Д.В.Назаров, А.А.Зайцев // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: сб. науч. тр. / Под ред. Салганика В.М. Магнитогорск: МГТУ, 2006. С. 129-136.

9. Рычков С.С., Кинзин Д.И. Моделирование износа валков методом конечных элементов при прокатке в калибрах простой формы // Электронный научный журнал «Калибровочное бюро».2013. Выпуск 1. passdesign.ru. С. 29-42.

10. Cockroft M.G., Latham D.J. Ductility and workability of metals // Journal of the Institute of Metals. Vol. 95. 1968. P. 33-39.

11. Кинзин Д.И, Рычков С.С. Исследование эффективности калибровки сортовых профилей с помощью программы DEFORM-3D // Труды международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2010». М.: РУДН, 2010. С. 133-135.

12. Песин А.М., Салганик В.М., Пустовойтов Д.О. Моделирование формоизменения поверхностных трещин непрерывнолитого сляба при черновой прокатке на широкополосном стане // Труды международной научнопрактической конференции «Инженерные системы - 2010». М.: РУДН, 2010. С. 136-140.