close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Снижение энергозатрат при широкополосной горячей прокатке на основе моделирования и выбора эффективных режимов смазывания валков

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Харченко Максим Викторович Шифр научной специальности: 05.02.09 - технологии и машины обработки давлением Шифр диссертационного совета: Д 212.111.03 Название организации: Магнитогорский государственный технический университет им.Г.И.
На правах рукописи
Харченко Максим Викторович
СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВЫБОРА
ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ СМАЗЫВАНИЯ ВАЛКОВ
Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением.
Технические науки.
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Магнитогорск 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" на кафедре "Машины и технологии обработки давлением"
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор
Платов Сергей Иосифович
Официальные оппоненты: Денисов Сергей Владимирович
доктор технических наук,
ОАО "ММК" центральная лаборатория контроля, начальник.
Медведев Александр Геннадьевич
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Г.И. Носова",
кафедра "Экономики и коммерции".
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет", г. Челябинск.
Защита состоится 25.05.2012г. в 16.30 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 в ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, ауд.304.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.
Автореферат разослан " 23 " апреля 2012г.
Ученый секретарь
диссертационного советаЖиркин Ю.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. С развитием современной промышленности появилась необходимость в производстве марок стали с высокими классами прочности, способных выдерживать высокие нагрузки и работу в суровых условиях. При производстве такого рода продукции производственное оборудование (в частности станы горячей прокатки) испытывает высокие нагрузки, близкие к критическим. Поэтому, перед выпуском данной продукции, с учетом технических возможностей оборудования, необходимо рассмотреть вопросы, связанные с разработкой и применением методов, направленных на снижение энергозатрат при прокатке.
Для снижения энергозатрат при горячей прокатке известно применение смазочного материала (далее по тексту СМ). Изучение данного вопроса широко представлено в работах: Белосевича В.К., Вейлера С.Я., Горенштейна М.М., Зильберга Ю.В., Тилика В.Т., где рассматривался опыт применения, способы и схемы подачи различного СМ, а также Адамского С.Д., Грудева А.П., Килиевича А.Ф Кокрофта М.Г. и др. где разработаны общие теоретические подходы и математические модели для оценки эффективности его применения.
В настоящее время на непрерывном широкополосовом стане горячей прокатки (далее по тексту НШСГП) 2000 ОАО "ММК", на первых трех клетях чистовой группы, используется система подачи технологической смазки (далее по тексту СТС), подающая жидкий, минерального происхождения СМ на поверхность опорного валка со стороны выхода металла из клети.
Одним из существенных недостатков в работе СТС является отсутствие взаимосвязи между количеством подаваемого СМ и свойствами прокатываемого материала. Вследствие чего, СТС эксплуатируется в ограниченном режиме, а снижение энергозатрат не существенно и составляет 3....6 %.
Анализ вышеперечисленных работ показал, что для схемы применения СТС в условиях НШСГП 2000 ОАО "ММК" отсутствуют методики, позволяющие оценить влияние СМ на снижение энергозатрат в системе "полоса-валок-клеть кварто"; отсутствуют математические подходы для определения расхода СМ с учетом специфики производства и свойств прокатываемого материала.
Поэтому исследования, направленные на разработку математических моделей, описывающих взаимодействие в системе "полоса-валок-клеть кварто", с учетом особенностей существующей СТС для поиска рекомендаций и определения расхода СМ, с целью снижения энергозатрат при прокатке, являются актуальными.
Цель исследования. Снижение энергозатрат при широкополосной горячей прокатке, на основе математического моделирования энергосиловых параметров клети кварто и выбора эффективных режимов подачи смазочного материала. Для реализации указанной цели в работе последовательно решаются следующие задачи:
Определить влияние СМ на энергосиловые параметры процесса горячей прокатки путем экспериментальных исследований.
Разработать математическую модель процесса горячей прокатки с учетом особенности схемы подачи СМ.
Разработать математическую модель по определению расхода СМ и провести теоретические исследования влияния расхода СМ на энергосиловые параметры при прокатке.
Разработать технологию и выбор эффективных режимов смазывания валков с целью снижения энергозатрат, провести оценку экономической эффективности предлагаемых решений.
Научные результаты, выносимые на защиту.
Лично автором:
Предложена классификация сходного по свойствам прокатываемого сортамента на группы энергоэффективности, заключающаяся в объединении сходного по энергозатратам прокатываемого материала, с целью разработки технологии и рекомендации, повышающих энергоэффективность широкополосной горячей прокатки, путем выбора эффективных режимов подачи СМ.
Разработана и предложена методика расчета энергосиловых параметров процесса горячей прокатки с применением СМ, дополненная коэффициентом, позволяющим оценить влияние СМ на снижение энергозатрат при прокатке.
Разработана математическая модель, позволяющая определить расход СМ в зависимости от: технических особенностей СТС, технологических параметров процесса горячей прокатки и свойств прокатываемого материала.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
Для условий широкополосной горячей прокатки с применением СМ впервые предложена классификация прокатываемого металла по геометрическим и реологическим характеристикам, объединяющая сходный прокатываемый сортамент в группы энергоэффективности, позволяющая произвести оценку влияния данных свойств на потребление удельного расхода энергии.
Методика энергосилового расчета процесса горячей прокатки на НШСГП впервые дополнена коэффициентом влияния СМ 〖(k〗_см^I). На основе регрессионного анализа установлены численные значения данного коэффициента в зависимости от групп энергоэффективности k_см^I=2,17...2,52.
Для определения эффективных режимов смазывания валков при широкополосной горячей прокатке на основании методик Адамского С.Д., Грудева А.П., Килиевича А.Ф, произведено уточнение уравнения баланса расхода СМ, отличающееся тем, что учитываются конструктивные особенности СТС и свойства прокатываемого материала на основе предложенных групп энергоэффективности. Практическая значимость работы заключается в следующем:
Определены эффективные режимы смазывания валков для каждой из предложенных групп энергоэффективности, в зависимости от технологических параметров горячей прокатки на широкополосном стане.
Разработан алгоритм, позволяющий произвести интеграцию СТС с АСУ ТП стана, для оперативной корректировки расхода СМ в зависимости от групп энергоэффективности.
Разработан ряд программных продуктов по определению количества СМ в зависимости от технологических параметров горячей прокатки на широкополосном стане и групп энергоэффективности. Программы для ЭВМ защищены свидетельствами о Государственной регистрации.
Предложенные мероприятия рекомендованы к использованию на НШСГП 2000 ОАО "ММК", на что получены соответствующие акты.
Совершенствование существующих математических моделей по определению расхода СМ при горячей прокатке позволит снизить токовые нагрузки на двигатель главного привода и уменьшить удельный расход энергии при прокатке в среднем на 5...9%.
Внедрение разработок на НШСГП 2000 в ЛПЦ №10 ОАО "ММК" позволит сэкономить порядка 1889 тыс. рублей в год.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
В диссертационной работе:
Произведено изучение связей в системе "полоса-валок-клеть "кварто" при продольной широкополосной прокатки с применением СМ, позволяющее снизить энергозатраты при работе прокатного стана, что соответствует формуле специальности 05.02.09. "Технология и машины обработки давлением".
Проведены исследования направленные на оценку напряженного состояния инструмента, рассмотрено влияние СМ на технологию широкополосной продольной прокатки заготовок, что соответствует п.5,7 области исследования.
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности: 05.02.09. "Технология и машины обработки давлением". Технические науки.
Апробация работы. Основные положения работы представлены: на 67 - 69 межрегиональных научно - технических конференциях "Актуальные проблемы современной науки, техники и образования" Магнитогорск, ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Г.И.Носова" 2009 - 2011г., конференции молодых специалистов ОАО "ММК" 2009 - 2011г., VI-ой международной научно - практической конференции "Интеллект молодых - производству" Украина, Новокраматорск 2010г., Четвертом международном промышленном форуме, Челябинск 2011, VIII-ом международном конгрессе прокатчиков, Магнитогорск 2010г., XVII -ой Петербургской технической ярмарке "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции. HiTec 2012", Санкт-Петербург 2012г. (с присуждением серебряной медали и диплома за лучший исследовательский проект), XV-ом Московском международном Салоне изобретений "Архимед", Москва 2012г.
Публикации. По теме работы опубликовано 12 печатных работ в научно - технических изданиях, 5 из которых рекомендованы ВАК, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 163 страницы машинописного текста, в том числе: 55 рисунков, 20 таблиц, 4 приложения. Объем библиографии составляет 119 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показано, что одним из рациональных путей, направленных на снижение энергосиловых параметров процесса горячей прокатки, является использование в технологии СТС. Раскрыта актуальность данной работы, сформулирована научная новизна работы.
В первой главе представлен положительный опыт применения СТС, рассмотрены свойства и требования, предъявляемые к СМ. Показано, что в настоящее время, в технологии горячей прокатки взамен твердых СМ (органического или неорганического происхождения) нашли применение жидкие СМ (на растительной или минеральной основе, с температурой воспламенения 250...500 С0 и вязкостью 38...50 мм2/с). К недостаткам твердых СМ, по сравнению с жидкими, можно отнести: трудноудаляемость остатков СМ с поверхности готовой продукции, что приводит к ухудшению ее травимости, нестабильность формирования толстых пленок, что вызывает различные силы трения по ширине, длине контакта и приводит к искажению формы полосы; отсутствие контроля и равномерности толщины слоя. Применение жидких СМ, совместно с разработанными системами и алгоритмами для контроля за расходом СМ при горячей прокатке, позволяет исключить вышеуказанные недостатки.
Изучению влияния СМ на эффективность процесса широкополосной горячей прокатки представлены в работах: А.П. Грудева, Л.Г. Тубольцева, А.Ф. Килиевича, Д.С. Коднира и др.
Приведен широкий патентный поиск и обзор литературных источников, отражающий известные СТС, а также существующие математические модели, описывающие изучение связей в системе "полоса-валок-клеть кварто" при горячей и холодной прокатке с учетом СМ.
На основе анализа работ авторов: А.И. Целикова, С. Экелунда, Л.В Андреюка, Э.А. Гарбера, Е.М. Третьякова, Ю.В. Коновалова, и др., путем последовательного расчета, дана оценка влияния СМ на энергосиловые параметры изучаемого процесса:
усилий, с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации;
определение влияния СМ на токовую загрузку и момент двигателя главного привода, согласно схеме подачи СМ на рис. 1.
Проведен анализ известных методик А.П. Грудева, Д.С. Коднира, Л.Г. Тубольцева, А.Ф. Килиевича, позволяющих определять количество подаваемого СМ. Показана возможность адаптировать известные методики под рассматриваемые условия горячей прокатки на НШСГП 2000 ОАО "ММК".
Проведенный анализ позволил определить цель и задачи исследований.
Вторая глава посвящена определению влияния СМ на энергосиловые параметры процесса горячей прокатки и оценке эффективности применения СТС в чистовой группе НШСГП 2000 ОАО "ММК".
В качестве параметра, отражающего влияние СМ на энергосиловые параметры процесса горячей прокатки был выбран момент на валу главного привода (М_дв, МН∙м), который определялся по условию:
М_дв(n) =N_дв(n) /ω_((n) ) =(((U_((n) ) I_((n) ) )-(〖I^2〗_((n) ) R_я )-(U_((n) ) I_хх )-(I_хх R_я))ζη)/ω_((n) ) ,(1)где N_дв(n) - мощность прокатки (Вт), ω_((n) )- угловая скорость, (рад/с), U_((n) ) - напряжение (В), I_((n) ) - ток двигателя (А), ζ - передаточное число, η - КПД стана, I_хх - ток холостого хода, I_хх=5%I_ном, (А), R_я- сопротивление в якорной цепи, (Ом), n - номер клети (n=7...9).
Сортамент прокатываемого металла на НШСГП 2000 ОАО "ММК" достаточно разнообразен, поэтому для качественной оценки влияния СМ на энергосиловые параметры процесса предложена классификация прокатываемого металла по геометрическим характеристикам (толщина hi мм, ширина Bi,мм) и параметру предел текучести при стандартных условиях испытаний (σ_0i, МПа). Данная классификация объединяет сходный прокатываемый сортамент в группы энергоэффективности и представлена в табл. 1. Параметр (σ_0i ), является основным, отражающим свойства материала в представленной классификации, относительно которого будут достигнуты цели поставленной работы.
Табл. 1.
Классификация прокатываемого металла по геометрическим и реологическим характеристикам.
Группа
энергоэффективностиσ_0i, (МПа)hi (мм)Bi (мм)1<76<2,0<1000276 - 822,1 - 4,01001 - 1500382 - 944,1 - 8,0>1500494 - 102>8,05102 - 1166>116 Значение (σ_0i) рассчитано по методике Л.В. Андреюка.
Оценка влияния СМ на изменение токовой загрузки и момента двигателя главного привода производилась в каждой группе предложенной классификации с помощью статистической обработки массива данных, содержащего информацию о 652-х слябах, 20-ти различных марок стали соответствующих 47 плавко-партиям.
Произведенная оценка показала снижение Мдв при прокатке (табл. 2), рассчитанного по (1).
Табл. 2
Усредненное значение снижения Мдв по клетям 7-9.
Группа энергоэффективности.σ_0i , (МПа)∆M_дв=М_дв-М_дв^см, (%)1<761-1,5%
(h2 =2,1-4 мм, B1= 700-1000 мм)276 - 821-1,2% (h3 =4,1-8 мм, B1= 700-1000 мм)382 - 94̴ 0%
(h1 <2 мм, B1= 700-1000 мм)494 - 1023-5% (h3 = 4,1-8 мм, B3= 1500-1830 мм)5102 - 1166-10% (h4 = >8 мм, B2= 1001-1500 мм) Снижение Мдв зафиксировано при прокатке с подачей СМ в постоянном объеме, соответствующего ТИ 374-2010 ОАО "ММК": верхний коллектор 0,08 л/мин., нижний коллектор 0,10 л/мин.
Обработка массива данных методом описательных статистик позволила выявить зависимость:
I^1/I^0 =1.138-0.101(P_((n) )/L_оп )+0.0069(P_((n) )/L_оп )^2+0.698(D_(оп(n))/D_(раб(n)) )-0.147V_p(n) +^ +0.026〖V_(p(n))〗^2 ; (F_расч=44,98;F_95^табл=2,4).(2)Примечание: верхний индекс "0" указывает на отсутствие СМ; индекс "1" указывает на присутствие СМ.
где V_(p(n)) - скорость прокатки, м/с, P_((n) )/L_оп - распределенная погонная нагрузка, МН/м, D_(оп(n))/D_(раб(n)) - отношение диаметров опорного и рабочего валков.
Методика энергосилового расчета процесса горячей прокатки на НШСГП дополнена коэффициентом, учитывающим влияние СМ на изменение токовой загрузки главного привода. Обозначив I^1/I^0 как k_см^I и с учетом (1), получаем соотношение, описывающее изменение 〖∆М〗_дв при горячей прокатке с применением СМ:
〖∆М〗_дв(n) =α_x k_см^I N_дв(n) /ω_((n)) (3)где α_x=0,1 - экспериментально полученный коэффициент.
Базовое уравнение по расчету момента двигателя М_дв(n) (1) дополнено коэффициентом (2) и, видоизменившись, представляет зависимость (4):
М_дв(n) =N_дв(n) /ω_((n)) (〖1-α_x k〗_см^I)(4) Установлены численные значения данного коэффициента в зависимости от групп энергоэффективности k_см^I=2,17...2,52.
Полученные численные значения снижения токовой загрузки двигателя (I, А) и момента на валу главного привода (M_дв, МН∙м) в процессе горячей прокатки с использованием СТС (табл. 2) указывают на возможность повышения энергоэффективности широкополосной горячей прокатки, преимущественно для марок стали с высокими классами прочности (марки стали групп 4-6). Поставленная цель может быть достигнута путем математического моделирования процесса горячей прокатки с наличием СМ, численного определения требуемых расходов СМ, в зависимости от технологических параметров процесса прокатки и свойств заготовки.
Третья глава посвящена разработке математической модели энергосиловых параметров процесса горячей прокатки с наличием СМ в системе: "полоса-валок-клеть кварто".
Математическое моделирование процесса горячей прокатки с наличием СМ в системе: "полоса-валок-клеть кварто" производилось путем последовательного решения следующих задач: аналитического расчета усилий с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации;
определения влияния СМ на токовую загрузку и момент двигателя главного привода моделированием межвалкового контактного взаимодействия клети кварто, согласно схеме подачи СМ на рис. 1.
Аналитический расчет усилий, с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, определялся согласно современной методике Э.А. Гарбера (рис. 1), в которой сопротивление деформации полосы определяется с учетом фактического изменения очага деформации в упруго-пластической зоне.
Результаты сравнительного расчета усилий, с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, приведены в табл. 3,4.
На основании проведенных расчетов и статистической обработки экспериментальных данных, с достоверностью в 95% установлено, что наличие СМ не оказывает воздействие на изменение заданных технологией режимов обжатий.
Было выдвинуто предположение, что из всего объема СМ непосредственно в очаге деформации присутствует лишь малая его часть (преимущественно в виде зольных осаждений), не влияющая на изменение протяженности выделенных в очаге деформации зон (табл. 3), а следовательно, и на величину p_срi (табл. 4).
Табл. 3
Результаты расчета протяженности зон в очаге деформации.
ГруппаМарка (профиль)hi-1, мм.hi, мм.ε,%lс, ммx1упр, мм.x4, мм.xпл, мм.1SAE -1006 (2,0х1250)3015,54
15,5448,2
48,278,4
78,40,6
0,61,87
1,8775,93
75,932St 37-2
(2,0 х 1000)3020,55
20,631,5
31,363,4
63,20,08
0,082,26
2,2761,0
60,85309Г2Д
(4,0 х 885)3017,85
17,9440,5
40,271,9
71,60,07
0,082,70
2,7169,12
68,81410ХСНД
(8,0 х 1500)3017,1
16,943,0
43,674,0
74,60,08
0,082,41
2,4271,51
72,1510Г2ФБЮ
(10,30 х 1668)3020,0
19,138,6
38,288,4
88,70,08
0,082,95
2,8585,37
85,77Примечание: в числителе прокатка осуществляется без СМ, в знаменателе со СМ, h_(i-1),h_i - толщина полосы на входе и выходе из клети, мм.; ε_i - относительное обжатие, %.; l_c - длина дуги контакта, мм.; p_ср - среднее контактное напряжение, МПа; P - усилие прокатки, т; x_1упр - протяженность первого упругого участка, мм.; x_4 - протяженность второго упругого участка, мм.;x_пл - протяженность пластического участка, мм.;Табл. 4.
Результаты сравнительного расчета энергосиловых параметров в очаге деформации.
ГруппаМарка (профиль)pср,МПаP,МНΔP,%μапр i , МДжNпр, МВт1SAE -1006 (2,0х1250)191
19122,92
22,511,780,31
0,3216,323
16,4023,512
3,5292St 37-2
(2,0 х 1000)229
22720,42
19,514,450,30
0,3116,931
17,2593,217
3,371309Г2Д
(4,0 х 885)275
27415,60
15,450,960,41
0,436,610
6,7271,571
1,605410ХСНД
(8,0 х 1500)249
24726,73
25,504,60,53
0,577,692
8,1641,764
1,834510Г2ФБЮ
(10,30 х 1668)303
29226,70
25,653,930,52
0,568,948
9,2762,218
2,340Примечание: в числителе прокатка осуществляется без СМ, в знаменателе со СМ, p_ср - среднее контактное напряжение, МПа; P - усилие прокатки, МН, μ - коэффициент трения, а - удельная работа прокатки, МДж, Nпр - мощность прокатки, МВт. Причинами отсутствия СМ в очаге деформации могут служить: свойства самого СМ, работа систем охлаждения валков и межклетевого пространства, которые подлежат дальнейшим исследованиям и в данной работе не рассматривались.
Поэтому, для определения энергоэффективности процесса горячей прокатки оценивалось влияние СМ на токовую загрузку и момент двигателя главного привода моделированием межвалкового контактного взаимодействия клети кварто с помощью:
1. количественной оценки влияния СМ, определением контактных напряжений между рабочим и опорным валками;
2. моделирования контактного взаимодействия по методикам А.И. Целикова, А.В. Третьякова для определения влияния СМ на момент трения между рабочим и опорным валками.
Задача определения контактных напряжений между рабочим и опорным валками двумя способами, с последующим их сравнением и оценкой достоверности: с помощью автоматизированного расчета в программе "DEFORM 3D" и аналитически, на основе решения задачи Герца-Беляева. В результате моделирования получены численные значения контактных напряжений (τ0) для различных групп марок стали (σ_0i,) (табл. 4). Погрешность в сравнении полученных результатов не превышает 5%.
Момент трения между рабочим и опорным валками (М_тр(n)^(р-о) ) при подаче СМ определяли: (М_тр(n)^(р-о ) )^0,1=М_дв(n) -М_пр(n) ⁄i-М_хх-М_тр(n)^(подш оп), (МН∙м) (5) где М_дв(n)^0 определяется по выражению (1);
М_дв(n)^1 определяется по выражению (4).
Результаты расчета для первой чистовой клети (клеть №7) приведены в табл. 5:
Табл. 5.
Результаты расчета напряжений и момента трения между опорным и рабочим валками (М_тр^(р-о ) )^0,1, в зависимости от наличия СМ.
Параметры:σ_01 , (<76 МПа) σ_02
(76 - 82 МПа) σ_03
(82 - 94 МПа)σ_04
(94 - 102 МПа)σ_05
(102 - 116 МПа)pmax (МПа)1214827110213521468τ0/τ1 (МПа)128/8895/71145/78161/88175/82(М_тр^(р-о ) )^0/(М_тр^(р-о ) )^1 (МН∙м)0,31/0,290,10/0,060,17/0,150,19/0,180,63/0,55 Расчет (М_тр(n)^(р-о ) )^0,1 произведен по (5), в соответствии с расходом СМ, определенным ТИ 374-2010 ОАО "ММК".
Представленные в таблице значения изменения контактных касательных напряжений и момента трения между опорным и рабочим валками подтверждают предположение о влиянии СМ на межвалковое взаимодействие.
Отсутствие в ТИ 374-2010 ОАО "ММК" рекомендаций, определяющих расход СМ в зависимости от параметров подката и технологии процесса, позволило в работе поставить и реализовать задачу по нахождению расхода СМ в зависимости от: технических особенностей СТС (расположения угла установки коллектора подачи СМ (β, град.)), технологических параметров процесса горячей прокатки (скорость прокатки (V(n), м/с), диаметр валков (D(n), мм), длина бочки валка (L, мм)) и свойств прокатываемого материала (предел текучести металла (σ_0i^ , МПа)), на основе предложенных групп энергоэффективности. За основу было положено уравнение баланса расхода СМ, предложенное авторами Л.Г. Тубольцевым, А.Ф. Килиевичем. С учетом адаптации существующего подхода к рассматриваемой системе (рис. 2), предложена расчетная модель (10).
Для данной схемы уравнение баланса расхода СМ имеет вид:
Q_сумм(n) =Q_a(n) +Q_к(n) +Q_1(n) -〖Q^-〗_((n) );(6)где Q_a(n) =(l_a(n) ∙L∙h_a(n) )/t_((n) ) - расход СМ адгезировавшегося на поверхности опорного валка, (л/мин);
l_a(n) - длина дуги валка, определенная длиной участка I (рисунок 2), мм.;
L - длина бочки опорного валка, мм;
h_a(n) - толщина адгезировавшегося слоя СМ, мм.;
t_((n) ) - время, за которое валок делает один оборот, (мин);
Q_1(n) - расход СМ в зоне выхода из межвалкового контакта, (л/мин):
Q_1(n) =(πD_оп(n) -l_a-〖2l〗_к(n) )(h_1(n) /2)Ln_оп(n) (7)где l_к(n) - полуширина площадки контакта;
D_оп(n) , n_оп(n) - диаметр и количество оборотов опорного валка соответственно;
h_1(n) - толщина слоя СМ в плоскости выхода;
〖Q^-〗_((n) ) - потерянное количество СМ., вследствие смыва водой и рядом других обстоятельств, определяемое коэффициентом потери СМ, 〖k^-〗_((n) )=(h_a(n) -h_1(n)^-)/h_a(n) =(Q_a(n) -〖Q^-〗_((n) ))/Q_a(n) .
Расход в зоне контакта рабочего и опорного валков Q_к(n) , определен из выражения:
Q_к(n) =h_к(n) ∙2l_к(n) ∙L∙n_оп(n) (8)где h_к(n) - толщина слоя СМ в зоне контакта рабочего и опорного валков, мм.;
Величину h_к(n) определяли на основании работ А.П. Грудева, базирующихся на методике Д.С. Коднира, действующая в диапазоне температур +40...+120 С° (средняя температура межвалкового взаимодействия клети кварто составляет +60...+70 С°)
h_к(n) =(3,17〖η_0〗^0,75 α^0,6 〖U_Σ〗^0,75)/(q_m(n)^0,15 〖ρ_пр〗^0,4 )(9)где - динамическая вязкость масла при атмосферном давлении и рабочей температуре, Па∙с; UΣ - суммарная скорость качения на контакте, м/с; α - пьезокоэффициент вязкости, Па-1; - приведенный радиус кривизны поверхностей трения, м; q_m(n) - нагрузка на единицу длины контакта, Н/м.
Таким образом, используя (6-9), получаем (10), где:
R_р(n) и R_оп(n) - радиусы рабочего и опорного валков соответственно, мм.;
η - упругая постоянная материала валков: η=(1-ϑ_1^2)/E_1 +(1-ϑ_2^2)/E_2 E_1 〖 и E〗_2 - модули упругости материалов рабочего и опорного валков соответственно, МПа.
ϑ_1^2 и ϑ_2^2 - коэффициента Пуассона для рабочего и опорного валков.
k_ш - базовый коэффициент шероховатости, (k_ш=0,15);
ω_оп(n) - угловая скорость опорного валка, с-1; ω_р(n) - угловая скорость рабочего валка, с-1;
ω_ср(n) - усредненная угловая скорость опорного и рабочего валков, с-1;
α_зах - угол захвата СМ валками, рад.
Q_(сумм(n)=)=Ln_оп(n) [((β/(180∙π)+(90-〖2l〗_к(n) /D_оп(n) )) K_ш R_z ) +^ +((2,256 √(ηq_m(n) (R_р(n) ∙R_оп(n) )/(R_р(n) +R_оп(n) )))((3,17〖η_0〗^0,75 α^0,6 v^0,75)/(q_m(n)^0,15 〖ρ_пр(n) 〗^0,4 ))) +^ +(((3η_0 αv_пр)/(α_зах [1-e^(-α∙σ_т^* ) ] )+k_ш ΣR_z )((ω_оп(n) +ω_р(n) )/(ω_р(n) +ω_ср(n) )))] -^ -(Q_a(n) -((h_a(n) -h_1(n)^-)/h_a(n) ) Q_a(n) ).(10) Проведена проверка адекватности предложенной модели (10) путем сравнения существующих на НШСГП 2000 ОАО "ММК" и расчетных значений расхода СМ (табл. 6).
Табл. 6.
Оценка адекватности модели по расчету значений расхода СМ предложенной модели (10) для условий горячей прокатки.
Марка сталиГруппа энергоэффективности Расход по ТИ, (л/мин)Расход расчетный по клетям, л/мин.
(отклонение от существующего, %)789SAE 1006
(аналог 08Ю)1 (<76 МПа)0,080,08 (0)0,13 (+62.5%)0,20 (+150%)10Г2ФБЮ5 (102 - 116МПа)0,080,08 (0)0,10 (+25%)0,14 (+75%)13Г1С-У5 (102 - 116МПа)0,080,06
(-25%)0,09 (+12,5%)0,12 (+50%) При анализе расчетных данных с экспериментальными установлено, что существующий расход СМ для клети №7 достаточен и обеспечивает снижение силы тока I_((7) )и момента двигателя главного привода M_дв(7) . Расход СМ для 8 и 9 клетей нуждается в корректировке, что соответствует с производственной необходимостью на НШСГП 2000 ОАО "ММК".
Четвертая глава посвящена разработке технологии продольной широкополосной горячей прокатки с применением системы подачи технологической смазки.
Решались следующие задачи:
определить граничные условия для предложенной модели (10), обеспечивающие стабильность процесса прокатки;
разработать технологию и произвести выбор эффективных режимов смазывания валков с целью снижения энергозатрат при широкополосной горячей прокатке;
определить экономический эффект от разработанных мероприятий.
При исследовании влияния количества СМ на изменение технологических параметров процесса горячей прокатки: скорость прокатки (V(n), м/с), диаметры валков (D(n), мм), угол установки коллектора подачи СМ (β, град.), длина бочки валка (L, мм), было установлено граничное условие по расходу СМ:
M_(тр 1(n))^(р-о)>M_(тр (n))^(пдш оп)(11) Для раскрытия аналитической взаимосвязи между расходом СМ и моментом трения между рабочим и опорным валками (М_тр(n)^(р-о), МН∙м) потребовалось принятие допущений:
количество СМ, находящегося непосредственно в зоне контакта опорного и рабочего валков, напрямую влияет на условие их взаимодействия, поэтому дальнейший расчет ведется по расходу СМ в зоне контакта валков, Q_к(n) (л/мин), определенному из (8);
взаимосвязью между М_тр(n)^(р-о) и Q_к(n) является скорость прокатки V_пр(n) :
V_пр(n) =(N_дв(n) R_р(n) )/M_дв(n) (12)V_пр(n) =(πQ_к(n) R_оп(n) )/(30h_к(n) Ll_к(n) )(13) Совместное решение (12-13) определяет момент двигателя на валу главного привода (М_дв,МН∙м) и момент трения между рабочим и опорным валками (М_тр^(р-о), МН∙м) как:
M_дв(n) =(30〖k_см N〗_дв(n) R_р(n) h_к(n) Ll_к(n) )/(πQ_к(n) R_оп(n) )(14)М_тр(n)^(р-о)=(28,5〖k_см N〗_дв(n) R_р(n) h_к(n) Ll_к(n) )/(πQ_к(n) R_оп(n) )-P_n (2ψl_д+d_ц f^пжт )(15) Используя граничное условие (11), выражение (15), рассчитываются рекомендуемые расходы СМ и определяются предельные допустимое значения для каждой из групп энергоэффективности (табл. 7).
Табл. 7.
Рекомендуемые и предельные значения расхода СМ на клеть.
группа энергоэффективности МПарекомендуемый и [допустимый] расход СМ на клеть (л/мин)7-ая клеть8-ая клеть9-ая клеть1 (<76 МПа)0,10... [0,11]0,15... [0,16]0,31... [0,32]2 (76 - 82 МПа)0,14... [0,16]0,13... [0,15]0,21... [0,24]3 (82 - 94 МПа)0,08... [0,10]0,10... [0,12]0,15... [0,17]4 (94 - 102 МПа)0,07... [0,09]0,11... [0,12]0,13... [0,16]5 (102 - 116 МПа)0,06... [0,08]0,09... [0,10]0,14... [0,19] Для технологии продольной широкополосной горячей прокатки с применением СМ разработан алгоритм работы СТС, позволяющий произвести ее интеграцию с АСУ ТП стана для оперативной корректировки расхода СМ в зависимости от групп энергоэффективности. Блок схема алгоритма представлена на рис. 3. Численная реализация осуществлена на языке программирования "Delphi". На разработанный продукт получено свидетельство о Государственной регистрации №2011610630.
В качестве примера, в табл. 8, приведен типовой расчет значений расхода СМ по одному монтажу. Предложенные мероприятия рекомендованы к использованию на НШСГП 2000 ОАО "ММК", на что получены соответствующие акты.
Оценка экономической эффективности от разработанных мероприятий проводилась путем определения изменения удельного расхода энергии при прокатке в клетях №№7 - 9 НШСГП 2000 ОАО "ММК" на основе полученных рекомендаций. При снижении удельного расхода энергии в среднем на 5...9% экономический эффект составит 1889 тыс.руб. в год.
Рис. 3. Алгоритм для расчета и поиска эффективных режимов
смазывания валков.
Параметры подката
(количество прокатанных полос 153 шт.)Расчетные значения Мдв1, (МН·м) (при постоянном расходе СМ 0,08 л/мин по технологии согласно ТИ) Рекомендуемый расход СМ на клеть, (отклонение от ТИ, л/мин.)Расчетные значения Мдв1, (МН·м) при использовании рекомендуемых расходов СМ.марка (профиль, мм.)σ0, МПаклетьклетьклеть789789789SAE 1006 (2,0х1250)76
(1 группа)1,351,060,630,11
(+0,03)0,15
(+0,07)0,31
(+0,23)1,20,90,1L245MB (8,80 х 1300)78
(1 группа)0,830,670,420,100,14
(+0,06)0,22
(+0,12)0,680,520,18St 37-2
(2,0 х 1000)80,5
(2 группа)0,900,760,450,09
(+0,01)0,15
(+0,07)0,20
(+0,12)0,870,540,3420 (4,80 х 1505)88
(2 группа)0,910,910,440,10
(+0,02)0,09
(+0,01)0,16
(+0,08)0,860,790,3109Г2Д (4,0 х 885)92,6
(3 группа)0,830,550,440,09 (+0,01)0,11 (+0,03)0,15 (+0,07)0,770,540,4410ХСНД
(8,0 х 1500)93,3
(4 группа)0,860,760,530,10 (+0,02)0,12 (+0,04)0,14 (+0,06)0,800,710,4613Г1С-У
(12,0 х 1660)90,16
(5 группа)0,980,920,580,080,112
(+0,032)0,15 (-0,07)0,860,850,3810Г2ФБЮ
(10,30 х 1668)120
(5 группа)1,571,30,790,067
(-0,013)0,100,18 (+0,1)1,10,980,44 Табл. 8.
Пример результатов расчета значений расхода СМ и параметра момент на валу главного привода по одному монтажу.
Выводы по работе.
Экспериментальным путем определено влияние СМ на энергосиловые параметры процесса широкополосной горячей прокатки НШСГП 2000 ОАО "ММК". Выявлено, что с вероятностью в 97,7% при прокатке различных марок стали работа СТС влияет на: момент M_дв(n) и силу тока двигателя I_дв(n) главного привода. С достоверностью в 95% установлено, что наличие СМ в межвалковом контакте не оказывает воздействие на изменение заданных технологией режимов обжатий;
- для условий широкополосной горячей прокатки с применением СМ, предложена классификация прокатываемого металла по геометрическим и реологическим характеристикам, объединяющая сходный прокатываемый сортамент в группы энергоэффективности и позволяющая дать оценку влияния данных параметров на потребление удельного расхода энергии;
- на основе регрессионного анализа, методика энергосилового расчета процесса горячей прокатки на широкополосном стане дополнена коэффициентом влияния СМ 〖(k〗_см^I), установлены численные значения данного коэффициента в зависимости от групп энергоэффективности: k_см^I=2,17...2,52.
Разработана математическая модель энергосиловых параметров процесса горячей прокатки с наличием СМ;
-проведенный аналитический расчет усилия прокатки, с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации показал, что наличие СМ не влияет на изменение протяженности выделенных в очаге деформации зон, а следовательно, и на величину p_срi. в следствии отсутствия СМ в очаге деформации. Причинами отсутствия СМ в очаге деформации могут служить: свойства самого СМ, работа систем охлаждения валков и межклетевого пространства.
-в модели контактного взаимодействия произведен расчет момента трения между опорным и рабочим валками (М_тр^(р-о ) )^ (без учета потерь на трение в подшипниках опорного валка) с наличием СМ. Результаты расчета показали снижение (М_тр^(р-о ) )^1, по всему сортаменту в среднем на 5%.
На основе уравнения баланса СМ разработана математическая модель, позволяющая в зависимости от: технических особенностей СТС (расположения, угла установки коллектора подачи СМ (β, град.)), технологических параметров процесса горячей прокатки (скорость прокатки (V(n), м/с), диаметр валков (D(n), мм), длина бочки валка (L, мм)) и свойств прокатываемого материала (предел текучести металла (σ_0i^ , МПа)), на основе групп энергоэффективности определять расход СМ.
Проведена проверка адекватности предложенной модели. Установлено, что существующий расход СМ для клети №7 достаточен и обеспечивает снижение силы тока I_((7) )и момента двигателя главного привода M_дв(7) . Расход СМ для 8 и 9 клетей нуждается в корректировке.
Проведены теоретические исследования о влиянии расхода СМ на момент и токовую загрузку двигателя главного привода при прокатке, поставлены граничные условия, на основании которых:
- определены численные значения максимального расхода СМ на каждую клеть в зависимости от предложенных групп энергоэффективности. Разработана технология и рекомендации, повышающие энергоэффективность широкополосной горячей прокатки путем выбора эффективных режимов подачи СМ;
- разработан ряд программ для ЭВМ по определению количества СМ в зависимости от технологических параметров горячей прокатки на широкополосном стане и групп энергоэффективности. Программы для ЭВМ защищенные свидетельством о Государственной регистрации №2011610630;
-разработан алгоритм работы СТС, позволяющий произвести ее интеграцию с АСУ ТП стана для оперативной корректировки расхода СМ в зависимости от групп энергоэффективности;
- предложенные мероприятия рекомендованы к использованию на НШСГП 2000 ОАО "ММК", на что получены соответствующие акты. Расчет экономического эффекта, связанного с применением СТС показал, что удельный расход энергии при прокатке со СМ снижается по трем клетям в среднем на 6...12%, экономический эффект от чего составляет 1889 тыс. руб. в год.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
Харченко, М.В., Платов С.И., Дема Р.Р., Терентьев Д.В., Ярославцев А.В., Горбунов А.В., Дубовский С.В., Дудоров Е.А. Прокатка труднодеформируемых марок сталей на широкополосном стане горячей прокатки, освоением системы подачи технологической смазки на рабочие валки чистовой группы клетей стана / Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. Платова С.И.. Вып. 8.Магнитогорск: ГОУ ВПО "МГТУ", 2009. С. 288 - 296.
Харченко, М.В., Ярославцев А.В. Освоение системы и разработка режимов подачи технологической смазки системы MIDAS на опорные валки чистовой группы клетей стана НШСГП "2000" г.п. / Тезисы докладов международной научно - технической конференции молодых специалистов ОАО ММК. -Магнитогорск: ОАО ММК,2009. - С.78-79.
Харченко, М.В., Прокатка труднодеформируемых марок сталей на широкополосном стане горячей прокатки, освоением системы подачи технологической смазки на рабочие валки чистовой группы клетей стана / Инновации молодых ученых: Сборник докладов на 67 научно - технической конференции У.М.Н.И.К.- Магнитогорск: ГОУ ВПО "МГТУ", 2009. - С. 153-158.
Харченко, М.В., Дема Р.Р., Ярославцев А.В. Разработка технологии подачи смазки при горячей прокатке на опорные валки для производства высокопрочных марок сталей. / Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 68-й межрегиональной научно-технической конференции./под. ред. Вдовина К.Н. - Магнитогорск: ГОУ ВПО "МГТУ", 2010. С. 307 - 309.
Харченко, М.В., Платов С.И., Дема Р.Р., Ярославцев А.В., Михайлицын С.В. Разработка рациональных режимов подачи технологической смазки на опорные валки клетей чистовой группы станов горячей прокатки / Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: межрегион. Сб. научн. Тр. / под ред. В.М. Салганика. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. С. 20 -24.
Харченко, М.В., Платов С.И., Дема Р.Р., Ярославцев А.В., Ларкин К.Е. Исследование режимов обжатий чистовой группы клетей на НШСГП 2000 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" при использовании системы подачи технологической смазки. / Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: междунар. Сб. научн. Тр. / под ред. Н.Н. Огаркова. / Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. С. 11 - 16.
Харченко, М.В., Платов С.И., Дема Р.Р., Румянцев М.И. Эффективность процесса горячей прокатки с подачей смазочного материала между опорным и рабочим валками на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки 2000 ОАО "ММК" / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. №4. 2011, С.19 - 21 (издание рецензируемое ВАК).
Харченко, М.В., Дема Р.Р., Ярославцев А.В., Дубовский С.В. Комплексная оценка и исследование эффективности системы подачи технологической смазки в клетях №7 - 9 непрерывного широкополосного стана горячей прокатки 2000 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" / Производство проката №12. 2011, С. 6 - 8. (издание рецензируемое ВАК).
Харченко, М.В., Дема Р.Р., Румянцев М.И. Разработка рациональных режимов подачи технологической смазки на опорные валки клетей чистовой группы НШСГП 2000 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" / Производство проката №4. 2012, С. 19 - 22. (издание рецензируемое ВАК).
Харченко, М.В., Дема Р.Р., Румянцев М.И. Определение параметров, влияющих на эффективность работы системы подачи технологической смазки непрерывных широкополосных станов горячей прокатки. / Металлургические процессы и оборудование (Украина) №3. 2012, С.12 - 17 (издание рецензируемое ВАК).
Харченко, М.В., Платов С.И., Дёма Р.Р., Ларкин К.Е. и др. Разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности эксплуатации системы подачи технологической смазки при прокатке на НШСГП 2000 ОАО "ММК" / Сталь №2. 2012, С. 52 - 55. (издание рецензируемое ВАК).
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610630 "Автоматизированный расчет расхода смазочного материала на широкополосных станах горячей прокатки". Авторы Ярославцев А.В., Платов С.И., Дёма Р.Р., Харченко М.В. и др. Правообладатель ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова".
2
1
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
110
Размер файла
312 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа