Актуальность темы. Производство медной катанки является основным заготовительным процессом изготовления кабелей и проводов, шинопроводов, коллекторных профилей и других изделий электротехнического назначения, мировой объем потребления которых проявляет тенденцию к устойчивому росту. Поскольку качество указанных видов продукции во многом определяется свойствами катанки, используемой для их изготовления, требования к ней со стороны потребителей постоянно ужесточаются.
В настоящее время медную катанку изготавливают преимущественно высокопроизводительным методом непрерывного литья-прокатки по технологическим схемам Southwire’s SCR, SMS Meer CONTIROD и CCR Properzi. Суммарная производственная мощность российских предприятий - изготовителей медной катанки полностью обеспечивает потребности кабельной промышленности России и позволяет экспортировать катанку на внешние рынки. При этом её качество должно соответствовать требованиям международных стандартов.
Вместе с тем некоторые особенности свойств кислородсодержащей меди и процесса изготовления из неё катанки обуславливают образование дефектов на стадиях литейного и прокатного переделов, что приводит к ухудшению качества продукции, вплоть до необходимости выбраковки отдельных партий. При этом уменьшается выход годного и увеличиваются материально-энергетические затраты на производство.
Таким образом, актуальной и важной задачей является комплексное повышение эффективности процесса производства медной катанки на основе разработки новых режимов прокатки и калибровок валков, обеспечивающих повышение её качества одновременно со снижением затрат по переделу.
В связи с вышеизложенным представляется актуальным проведение диссертационного исследования с целью: разработать научно обоснованные режимы прокатки и калибровки валков , направленные на повышение качества и экономию материально-энергетических ресурсов при производстве катанки из кислородсодержащей меди на непрерывном литейно-прокатном агрегате с применением современных средств исследования и моделирования процессов обработки металлов давлением.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Выполнить экспериментально-теоретическое исследование прокатки медной катанки, по результатам которого определить значения и характер распределения факторов, связанных с изнашиванием валков, а также установить особенности напряженно-деформированного состояния, неблагоприятные с позиции дефектообразования и износа.
2. Осуществить исследование износа валков, включающее в себя: определение основных видов процесса изнашивания, разработку методики количественного измерения износа, установление связи между основными факторами и проявлениями износа, по результатам которого разработать новую метаматематическую модель для прогнозирования износа валков применительно к горячей сортовой прокатке.
3. На основе экспериментальных данных адаптировать математическую модель расчета формоизменения к горячей прокатке кислородсодержащей меди в калибрах простой формы, с применением которой разработать новые режимы прокатки и калибровки валков с учетом как выявленных недостатков существующей калибровки, так и необходимости экономии материально-энергетических ресурсов.
4. Передать разработанные калибровки валков и режимы прокатки на предприятие для их последующего использования в производственном процессе.
Диссертационная работа проводилась в соответствии со следующими государственными планами и программами: «Разработка научных основ физики и механики обработки металлов давлением с целью создания энерго- и ресурсосберегающих инновационных технологий производства металлургической продукции ответственного назначения» (государственное задание в сфере научной деятельности № 11.1369.2014/К от 18.07.2014, № гос. регистрации 114122470051); «Создание новых технологических процессов, машин и систем автоматизированного проектирования в области обработки металлов давлением на основе современных достижений механики, прикладной математики и информатики» (программа Минвуза РФ, 2011-2013 гг.); План совместных исследований от 29.01.2016 АО «Катур-Инвест» и кафедры обработки металлов давлением Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина.
Научную новизну представляют следующие разработки диссертации:
- методика и результаты исследования износа валков в процессе горячей сортовой прокатки кислородсодержащей меди, в частности установление основных видов процессов изнашивания, областей локализации износа и его количественное определение;
- закономерности распределения факторов износа по контактной поверхности, а также их связь с условиями процесса горячей сортовой прокатки кислородсодержащей меди;
- новая математическая модель распределения износа по ширине контактной поверхности ручьев калибров простой формы;
- закономерности взаимного количественного соотношения скоростей полосы и валков в клетях, имеющих групповой привод, а также их влияние на затраты энергии при прокатке.
Теоретическую и практическую значимость диссертации составляют следующие результаты:
- математическая модель определения размеров полосы по проходам, адаптированная для условий прокатки кислородсодержащей меди в калибрах простой формы;
- новая калибровка валков и режим прокатки в черновой группе клетей, обеспечивающие повышение однородности деформированного состояния, а также уменьшение значений факторов износа валков в некоторых проходах на 10-30 % по сравнению с существующими;
- рациональная энергосберегающая калибровка валков на основе системы овал - ребровой овал, обеспечивающая, при прочих равных условиях, снижение затрат энергии на 6,8 % по сравнению с существующей калибровкой на основе системы овал - круг;
- методика количественного определения затрат энергии на дополнительное скольжение полосы по поверхности валков, связанное с несоответствием фактических и кинематически возможных коэффициентов вытяжки в клетях с групповым приводом;
- методика проектирования согласованного скоростного режима прокатки на непрерывном стане, имеющем в своем составе клети с индивидуальным и групповым приводом;
- рациональный энергосберегающий скоростной режим прокатки, в клетях с групповым приводом, обеспечивающий снижение затрат энергии на 8,7 % по сравнению с существующим;
- новая форма овальной заготовки для прокатки круглого сортового профиля, обеспечивающая за счет особенностей конфигурации снижение усилия и момента прокатки на 29 и 17 % соответственно, по сравнению с применением овальной заготовки простой формы.
Методы исследования: методы конечно-элементного моделирования, методы экспериментального исследования формоизменения в процессе непрерывной сортовой прокатки, методы экспериментального исследования износа валков, методы статистического анализа опытных данных, методы проектирования калибровок валков и режимов прокатки с применением экспертной системы «Технология сортовой прокатки».
На защиту выносятся:
- методика и результаты экспериментального исследования износа рабочих валков при горячей прокатке кислородсодержащей меди, а также математическая модель износа;
- закономерности распределения факторов износа по контактной поверхности валков, обусловленные условиями процесса прокатки в калибрах простой формы;
- математическая модель процесса формоизменения при горячей сортовой прокатке кислородсодержащей меди;
- новые калибровки валков и режимы прокатки медной катанки на литейно-прокатном агрегате, обеспечивающие повышение качества продукции и экономию материально-энергетических ресурсов;
- методика оценки затрат энергии на дополнительное скольжение полосы по поверхности валков и проектирования согласованного скоростного режима непрерывной прокатки в клетях с групповым приводом;
- овальная заготовка измененной формы, геометрические параметры которой определяются в зависимости от радиуса прокатываемого из неё круглого сортового профиля, обеспечивающая снижение усилия и момента прокатки, и таким образом, экономию энергетических затрат.
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается применением современных методов исследования процессов обработки металлов давлением, основанных на методе конечных элементов, а также их сопоставлением с данными экспериментальных исследований, выполненных в условиях действующего производства.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: III международная интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии» (УрФУ, Екатеринбург, 2013); XIV международная научно-техническая конференция «Уральская школа-семинар металловедов - молодых ученых» (УрФУ, Екатеринбург, 2013); VII международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (УрФУ, Екатеринбург, 2014); XV международная научная конференция «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and production engineering» (Ченстоховский политехнический университет, Ченстохова, Польша, 2014); X международная научно-техническая конференция «Пластическая деформация металлов» (Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, Украина, 2014); XXI международная научно-практическая конференция «Трубы - 2014» (ОАО «РосНИТИ», Челябинск, 2014); IV международная интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии» (УрФУ, Екатеринбург, 2014); Международная конференция «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика» (УрФУ, Екатеринбург, 2015);
XVI международная научно-техническая конференция «Уральская школа-семинар
металловедов - молодых ученых» (УрФУ, Екатеринбург, 2015);
XVII международная научно-техническая конференция «Уральская школа- семинар металловедов - молодых ученых» (УрФУ, Екатеринбург, 2016).
Публикации. По материалам диссертации в научно-технических изданиях опубликовано 17 работ, в том числе 7 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Одна статья вошла в международную базу Scopus.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 192 страницах машинописного текста, включая 69 рисунков, 23 таблицы, библиографический список из 149 наименований, 5 приложений.
В результате выполненной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты.
1. На основе теоретического исследования прокатки катанки из кислородсодержащей меди с использованием метода конечных элементов построены эпюры параметров, описывающих напряженно-деформированное состояние полосы и температурное состояние валков, установлены закономерности их распределения по контактной поверхности, связанные с условиями процесса прокатки.
2. Проведено экспериментальное исследование износа валков при горячей сортовой прокатке кислородсодержащей меди с использованием разработанной методики его измерения при переточке. Определены основные виды: процессов изнашивания и распределение соответствующего им износа по контактной поверхности. Установлено соответствие между экстремумами проявлений износа и связанных с ним факторов, а именно размаха температур, скольжения, нормального давления и степени деформации.
3. Разработана новая математическая модель для прогнозирования распределения износа по ширине контактной поверхности ручьев калибров простой формы при горячей прокатке кислородсодержащей меди.
4. Проведена модернизация математической модели расчета формоизменения применительно к горячей сортовой прокатке кислородсодержащей меди, с применением которой разработаны новая калибровка валков и режим прокатки в черновой группе клетей, обеспечивающие повышение однородности деформированного состояния, а также уменьшение факторов износа, в ряде проходов на 10-30 % по сравнению с существующими.
5. Выбрана более экономичная с точки зрения затрат энергии система калибров овал - ребровой овал, на основе которой, с применением модернизированной модели, разработана рациональная энергосберегающая калибровка валков промежуточной группы клетей, обеспечивающая снижение затрат энергии на 6,8 % по сравнению с существующей калибровкой на основе системы овал - круг.
6. Разработана методика оценки затрат энергии на дополнительное скольжение в клетях с групповым приводом.
7. Разработана методика проектирования согласованного скоростного режима прокатки на непрерывном стане, имеющем в своем составе клети с индивидуальным и групповым приводом, посредством подбора диаметров рабочих валков исходя из константы калибровки, с использованием которой разработан рациональный энергосберегающий скоростной режим прокатки для клетей с групповым приводом, обеспечивающий снижение затрат энергии на 8,7 % по сравнению с существующим режимом.
8. Разработана новая форма овальной заготовки (направлена заявка на полезную модель № 2016108073 с приоритетом от 04.03.2016) для прокатки круглого профиля, обеспечивающая за счет особенностей конфигурации, снижение энергосиловых параметров процесса на 20-30 % по сравнению с применением овальной заготовки, полученной в однорадиусном овальном калибре.
9. Разработанные режимы прокатки и калибровки валков приняты к использованию на АО «Катур-Инвест». Математическая модель расчета формоизменения, методики оценки затрат энергии на дополнительное скольжение и проектирования согласованного скоростного режима внедрены в экспертную систему «Технология сортовой прокатки», используемую в учебном процессе.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
