ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОКАТКИ НА МЕЛКОСОРТНО - ПРОВОЛОЧНОМ СТАНЕ 320/150 С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
|
Актуальность темы диссертации. В России, как и во всем мире, несмотря на экономический кризис 2008 г. наблюдается рост объемов производства и потребления сортового проката. В настоящее время наиболее востребованным видом сортового проката остается прокат мелких и средних сечений. При этом потребление таких про-филей превышает, и по прогнозу будет превышать их производство, что приводит к необходимости их импорта. Поэтому одной из актуальных задач, стоящих перед отечественной черной металлургией, является интенсификация прокатного производства на основе разработки и освоения новых высокоэффективных технологических процессов, обеспечивающих рост объемов производства, снижение материально-энергетических затрат по переделу. Отмеченные тенденции развития и структура отечественного сортопрокатного производства характерны и для ОАО «Амурметалл», имеющего в своем составе мелкосортно-проволочный стан 320/150.
Увеличение объемов производства на этом стане является объективной необходимостью в связи с высокой себестоимостью проката, что снижает конкурентоспособность продукции. Одна из причин высокой себестоимости и финансовой неустойчивости предприятия - высокая доля заемных средств. Для увеличения производительности стана необходим поиск резервов интенсификации производства за счет рационализации и оптимизации калибровок валков и технологических режимов прокатки при одновременном снижении расходов по переделу.
При разработке оптимальных технологических процессов производства проката все большее значение приобретает их компьютерное моделирование с помощью специального программного обеспечения. Для этого необходимо иметь научно обоснованные математические модели процессов.
Сказанное обусловило проведение настоящего исследования.
Работа выполнялась по госбюджетной и хоздоговорной тематике Уральского политехнического института (позже УГТУ-УПИ, УрФУ), в соответствии с планами и приказами по научно-техническому развитию завода «Амурметалл» и связана с выполнением Федеральной программы по развитию Дальнего Востока.
Цель диссертационной работы: на основе современных средств компьютерного моделирования и методов исследования операций получить научно обоснованные технологические разработки по оптимизации процессов прокатки, направленные на повышение производительности и экономию материально-энергетических ресурсов при производстве мелкосортных профилей на мелкосортно-проволочном стане 320/150.
Научную ценность диссертации составляют следующие разработки:
- методика и результаты исследования изменения плотности металла при прокатке профилей из непрерывнолитой заготовки;
- методика и результаты исследования характера деформированного состояния металла при прокатке в калибрах простой формы;
- закономерности формирования зеренной структуры металла при прокатке профилей из непрерывнолитой заготовки в зависимости от величины накопленной деформации;
- закономерности течения металла в открытых прямополочных угловых калибрах;
- математическая модель и методика расчета формоизменения металла в от-крытых прямополочных угловых калибрах;
Практическую ценность представляют следующие результаты диссертации:
- данные о структуре металла исходной заготовки, в частности о запороченности ее внутренними дефектами, и изменении в процессе прокатки;
- рабочие калибровки валков для прокатки равнополочной угловой стали от №2 до №5, обеспечивающие устойчивую прокатку и получение готового проката, отвечающего требованиям ГОСТ 8509-93;
- оптимальные по быстродействию технологические режимы прокатки всех профилей сортамента стана, позволившие увеличить среднюю часовую производительность стана на ~14 % и получить суммарный экономический эффект 12 млн. рублей (в ценах 2008 г.), за счет увеличения часовой производительности стана и снижения себестоимости продукции;
- научное обоснование реконструкции привода чистовой клети стана, позволившей увеличить скорость прокатки арматурных и круглых профилей имеющих массу погонного метра от 2 до 3,85 кг, что позволяет довести производительность стана до ~79 т/ч;
- научное обоснование увеличения сечения квадратной исходной непрерывнолитой заготовки на стане до 140x140 мм вместо применяющейся заготовки 125x125 мм, что позволит увеличить производительность стана и машин непрерывного литья заготовок.
Результаты выполненных исследований могут быть использованы в инженерной практике при разработке оптимальных технологических режимов прокатки сортовой стали на любом действующем мелкосортном прокатном стане.
Реализация результатов работы ).
Разработанные калибровки валков и оптимальные температурно-скоростные режимы прокатки угловой, круглой, арматурной стали и катанки внедрены на мелкосортно-проволочном стане 320/150 ОАО «Амурметалл».
Экономический эффект, полученный от реализации указанных разработок за счет увеличения часовой производительности стана и снижения условно-постоянных расходов по переделу, составил 219,57 тыс. руб. (в ценах 1990 г.) и превысил 12 млн. руб. (в ценах 2008 г.), что подтверждено экономическими расчетами и актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Всесоюзной конференции прокатчиков «Новые технологические процессы прокатки как средство интенсификации производства и повышения качества продукции»: - Челябинск, 1989. Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов»: - Санкт-Петербург, 2007. На семинаре НПО «МАШПРОМ» - Екатеринбург, 2009. VIII Конгрессе прокатчиков: - Магнитогорск, 2010. Международной конференции «Форсированное индустриально-инновационное развитие в металлургии»: - Алматы, 2010. Научно-практическая конференция к 80-летию ОАО «УИМ» «Новые технологии и материалы в металлургии» - Екатеринбург, 2010. Научно-практическая конференция к 85-летию Уралгипромеза «Новые проекты и технологии в металлургии» - Екатеринбург, 2010. Научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР»: - Екатеринбург, 2011. I Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии»: - Екатеринбург, 2012.
Комплекс научных и промышленных исследований по разработке и внедрению оптимальных технологических режимов прокатки сортовых профилей и катанки на мелкосортно-проволочном стане 320/150 ОАО «Амурметалл» отмечен дипломом лауреата международной выставки Металл-Экспо (г.Москва, 2008 г.), серебряной медалью международной выставки-конгресса «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции»(г. С.-Петербург, 2009 г.), серебряной медалью IX московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, 2009 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15-ти статьях, в том числе 6 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений; изложена на 183-х страницах машинописного текста, иллюстрирована 67-ю рисунками и 27-ю таблицами; библиографический список включает 126 наименования.
Увеличение объемов производства на этом стане является объективной необходимостью в связи с высокой себестоимостью проката, что снижает конкурентоспособность продукции. Одна из причин высокой себестоимости и финансовой неустойчивости предприятия - высокая доля заемных средств. Для увеличения производительности стана необходим поиск резервов интенсификации производства за счет рационализации и оптимизации калибровок валков и технологических режимов прокатки при одновременном снижении расходов по переделу.
При разработке оптимальных технологических процессов производства проката все большее значение приобретает их компьютерное моделирование с помощью специального программного обеспечения. Для этого необходимо иметь научно обоснованные математические модели процессов.
Сказанное обусловило проведение настоящего исследования.
Работа выполнялась по госбюджетной и хоздоговорной тематике Уральского политехнического института (позже УГТУ-УПИ, УрФУ), в соответствии с планами и приказами по научно-техническому развитию завода «Амурметалл» и связана с выполнением Федеральной программы по развитию Дальнего Востока.
Цель диссертационной работы: на основе современных средств компьютерного моделирования и методов исследования операций получить научно обоснованные технологические разработки по оптимизации процессов прокатки, направленные на повышение производительности и экономию материально-энергетических ресурсов при производстве мелкосортных профилей на мелкосортно-проволочном стане 320/150.
Научную ценность диссертации составляют следующие разработки:
- методика и результаты исследования изменения плотности металла при прокатке профилей из непрерывнолитой заготовки;
- методика и результаты исследования характера деформированного состояния металла при прокатке в калибрах простой формы;
- закономерности формирования зеренной структуры металла при прокатке профилей из непрерывнолитой заготовки в зависимости от величины накопленной деформации;
- закономерности течения металла в открытых прямополочных угловых калибрах;
- математическая модель и методика расчета формоизменения металла в от-крытых прямополочных угловых калибрах;
Практическую ценность представляют следующие результаты диссертации:
- данные о структуре металла исходной заготовки, в частности о запороченности ее внутренними дефектами, и изменении в процессе прокатки;
- рабочие калибровки валков для прокатки равнополочной угловой стали от №2 до №5, обеспечивающие устойчивую прокатку и получение готового проката, отвечающего требованиям ГОСТ 8509-93;
- оптимальные по быстродействию технологические режимы прокатки всех профилей сортамента стана, позволившие увеличить среднюю часовую производительность стана на ~14 % и получить суммарный экономический эффект 12 млн. рублей (в ценах 2008 г.), за счет увеличения часовой производительности стана и снижения себестоимости продукции;
- научное обоснование реконструкции привода чистовой клети стана, позволившей увеличить скорость прокатки арматурных и круглых профилей имеющих массу погонного метра от 2 до 3,85 кг, что позволяет довести производительность стана до ~79 т/ч;
- научное обоснование увеличения сечения квадратной исходной непрерывнолитой заготовки на стане до 140x140 мм вместо применяющейся заготовки 125x125 мм, что позволит увеличить производительность стана и машин непрерывного литья заготовок.
Результаты выполненных исследований могут быть использованы в инженерной практике при разработке оптимальных технологических режимов прокатки сортовой стали на любом действующем мелкосортном прокатном стане.
Реализация результатов работы ).
Разработанные калибровки валков и оптимальные температурно-скоростные режимы прокатки угловой, круглой, арматурной стали и катанки внедрены на мелкосортно-проволочном стане 320/150 ОАО «Амурметалл».
Экономический эффект, полученный от реализации указанных разработок за счет увеличения часовой производительности стана и снижения условно-постоянных расходов по переделу, составил 219,57 тыс. руб. (в ценах 1990 г.) и превысил 12 млн. руб. (в ценах 2008 г.), что подтверждено экономическими расчетами и актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Всесоюзной конференции прокатчиков «Новые технологические процессы прокатки как средство интенсификации производства и повышения качества продукции»: - Челябинск, 1989. Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов»: - Санкт-Петербург, 2007. На семинаре НПО «МАШПРОМ» - Екатеринбург, 2009. VIII Конгрессе прокатчиков: - Магнитогорск, 2010. Международной конференции «Форсированное индустриально-инновационное развитие в металлургии»: - Алматы, 2010. Научно-практическая конференция к 80-летию ОАО «УИМ» «Новые технологии и материалы в металлургии» - Екатеринбург, 2010. Научно-практическая конференция к 85-летию Уралгипромеза «Новые проекты и технологии в металлургии» - Екатеринбург, 2010. Научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР»: - Екатеринбург, 2011. I Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии»: - Екатеринбург, 2012.
Комплекс научных и промышленных исследований по разработке и внедрению оптимальных технологических режимов прокатки сортовых профилей и катанки на мелкосортно-проволочном стане 320/150 ОАО «Амурметалл» отмечен дипломом лауреата международной выставки Металл-Экспо (г.Москва, 2008 г.), серебряной медалью международной выставки-конгресса «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции»(г. С.-Петербург, 2009 г.), серебряной медалью IX московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, 2009 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15-ти статьях, в том числе 6 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений; изложена на 183-х страницах машинописного текста, иллюстрирована 67-ю рисунками и 27-ю таблицами; библиографический список включает 126 наименования.
В результате проведения диссертационной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:
1. Показано, что эффективным путем поиска оптимальных технологических режимов прокатки сортовых профилей на действующих и проектируемых станах является компьютерное моделирование технологических процессов прокатки с помощью специального программного обеспечения.
2. Установлено, что при прокатке сортовых профилей из непрерывнолитой заготовки при суммарном коэффициенте вытяжки менее 100, дефекты литой структуры устраняются не полностью, и как результат, плотность готовых профилей получается ниже номинальных значений, определяемых стандартами. Для увеличения плотности готового проката предложено кантовать раскат в межклетевых промежутках в одном направлении относительно положения исходной заготовки. Это обеспечит за счет дополнительной сдвиговой деформации увеличение плотности металла готового профиля дополнительно не менее чем на 0,5-0,8 %.
3. Показано, что применение в черновой группе клетей системы калибров овал- ребровой овал обеспечивает благоприятную картину деформированного состояния в объеме металла.
4. Установлено, что исходная непрерывнолитая заготовка имеет запороченность внутренними дефектами и нестабильность исходной зеренной структуры по сечению; прокатный передел с действующим технологическим режимом прокатки обеспечивает получение мелкозернистой однородной структуры по сечению готовых профилей и выкатываемость негрубых дефектов сплошности непрерывнолитой стали. Получены адекватные регрессионные зависимости, позволяющие прогнозировать зеренную структуру металла готовых профилей в зависимости от среднего значения величины зерна первичного аустенита и суммарного коэффициента вытяжки.
5. Показано, что максимальным сечением исходной непрерывнолитой заготовки в условиях стана 320/150 ОАО «Амурметалл» является квадрат со стороной 140 мм. Применение такой заготовки позволит увеличить накопленную деформацию в черновой группе клетей, что благоприятно скажется на структуре металла; увеличить производительность стана и машин непрерывного литья заготовок.
6. Разработаны рекомендации по рациональным значениям начальных диаметров валков для мелкосортно-проволочных станов, аналогичных стану 320/150 ОАО «Амурметалл».
7. Выполнены исследования и установлены закономерности формоизменения металла в открытых прямополочных угловых калибрах. Получены статистически адекватные уравнения регрессии для расчета коэффициентов уширения в указанных калибрах в зависимости от параметров очага деформации. Определены соотношения параметров калибра и раската в виде адекватных уравнений регрессии, необходимых для расчета калибровок валков и оптимальных технологических режимов.
8. Разработана математическая модель, методика, и алгоритм расчета формоизменения металла при прокатке угловой стали с применением прямополочных угловых калибрах. По разработанной методике спроектирована и освоена рабочая калибровка валков стана 320/150 ОАО «Амурметалл» для прокатки равнополочной угловой стали. Эффективность предложенной калибровки валков подтвердилась в процессе промышленной эксплуатации. Суммарный экономический эффект реализации рабочих калибровок валков составил в 1990 г. 219,57 тыс. руб.
9. Проведено компьютерное моделирование технологических параметров прокатки по действующим калибровкам валков. Установлено, что действующие (регламентированные) конечные скорости прокатки профилей могут быть увеличены с учетом ограничений по силовой загрузке оборудования главных линий стана. Внедрение новых скоростных режимов прокатки позволило увеличить среднюю часовую производительность стана на 10 - 16 %. Суммарный экономический эффект составил 12 млн. рублей.
10. Обоснована необходимость замены электродвигателя чистовой клети стана (550 кВт) на электродвигатель мощностью 1000 кВт. Это позволило значительно повысить конечную скорость прокатки профилей с массой погонного метра от 2 до 3,85 кг. При этом среднечасовая производительность стана возрастает до 79,1 т, а годовой объем производства на стане достигнет 475 - 550 тыс. т.
11. Полученные результаты являются научно обоснованными технологическими решениями и разработками по повышению эффективности производства мелкосортных профилей на действующих сортопрокатных станах, что имеет существенное значение для экономики металлургической промышленности страны.
1. Показано, что эффективным путем поиска оптимальных технологических режимов прокатки сортовых профилей на действующих и проектируемых станах является компьютерное моделирование технологических процессов прокатки с помощью специального программного обеспечения.
2. Установлено, что при прокатке сортовых профилей из непрерывнолитой заготовки при суммарном коэффициенте вытяжки менее 100, дефекты литой структуры устраняются не полностью, и как результат, плотность готовых профилей получается ниже номинальных значений, определяемых стандартами. Для увеличения плотности готового проката предложено кантовать раскат в межклетевых промежутках в одном направлении относительно положения исходной заготовки. Это обеспечит за счет дополнительной сдвиговой деформации увеличение плотности металла готового профиля дополнительно не менее чем на 0,5-0,8 %.
3. Показано, что применение в черновой группе клетей системы калибров овал- ребровой овал обеспечивает благоприятную картину деформированного состояния в объеме металла.
4. Установлено, что исходная непрерывнолитая заготовка имеет запороченность внутренними дефектами и нестабильность исходной зеренной структуры по сечению; прокатный передел с действующим технологическим режимом прокатки обеспечивает получение мелкозернистой однородной структуры по сечению готовых профилей и выкатываемость негрубых дефектов сплошности непрерывнолитой стали. Получены адекватные регрессионные зависимости, позволяющие прогнозировать зеренную структуру металла готовых профилей в зависимости от среднего значения величины зерна первичного аустенита и суммарного коэффициента вытяжки.
5. Показано, что максимальным сечением исходной непрерывнолитой заготовки в условиях стана 320/150 ОАО «Амурметалл» является квадрат со стороной 140 мм. Применение такой заготовки позволит увеличить накопленную деформацию в черновой группе клетей, что благоприятно скажется на структуре металла; увеличить производительность стана и машин непрерывного литья заготовок.
6. Разработаны рекомендации по рациональным значениям начальных диаметров валков для мелкосортно-проволочных станов, аналогичных стану 320/150 ОАО «Амурметалл».
7. Выполнены исследования и установлены закономерности формоизменения металла в открытых прямополочных угловых калибрах. Получены статистически адекватные уравнения регрессии для расчета коэффициентов уширения в указанных калибрах в зависимости от параметров очага деформации. Определены соотношения параметров калибра и раската в виде адекватных уравнений регрессии, необходимых для расчета калибровок валков и оптимальных технологических режимов.
8. Разработана математическая модель, методика, и алгоритм расчета формоизменения металла при прокатке угловой стали с применением прямополочных угловых калибрах. По разработанной методике спроектирована и освоена рабочая калибровка валков стана 320/150 ОАО «Амурметалл» для прокатки равнополочной угловой стали. Эффективность предложенной калибровки валков подтвердилась в процессе промышленной эксплуатации. Суммарный экономический эффект реализации рабочих калибровок валков составил в 1990 г. 219,57 тыс. руб.
9. Проведено компьютерное моделирование технологических параметров прокатки по действующим калибровкам валков. Установлено, что действующие (регламентированные) конечные скорости прокатки профилей могут быть увеличены с учетом ограничений по силовой загрузке оборудования главных линий стана. Внедрение новых скоростных режимов прокатки позволило увеличить среднюю часовую производительность стана на 10 - 16 %. Суммарный экономический эффект составил 12 млн. рублей.
10. Обоснована необходимость замены электродвигателя чистовой клети стана (550 кВт) на электродвигатель мощностью 1000 кВт. Это позволило значительно повысить конечную скорость прокатки профилей с массой погонного метра от 2 до 3,85 кг. При этом среднечасовая производительность стана возрастает до 79,1 т, а годовой объем производства на стане достигнет 475 - 550 тыс. т.
11. Полученные результаты являются научно обоснованными технологическими решениями и разработками по повышению эффективности производства мелкосортных профилей на действующих сортопрокатных станах, что имеет существенное значение для экономики металлургической промышленности страны.