Автореферат Кузьминов И.И.


УДК 621.771.237.02 + 621.771.23.019                                      На правах рукописи

 

 

 

 

 

КУЗЬМИНОВ ИГОРЬ ИВАНОВИЧ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Повышение качества холоднокатаных полос и жести путем совершенствования оборудования и технологии обработки

 

 

05.03.01 – Технологии, оборудование механической
и физико-технической обработки

 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2009


Работа выполнена в Республиканском государственном казенном предприятии «Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева»

 

 

 

Научный руководитель:                                      доктор технических наук,

Машеков С.А.

 

 

 

Официальные оппоненты:                         доктор технических наук

Муслимов А.П.

 

кандидат технических наук

Муравьев О.П.

 

 

 

Ведущая организация:                               Павлодарский государственный

университет им. С. Торайгырова

 

 

 

 

 

Защита состоится «29» мая 2009 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 14.17.02 при Казахском национальном техническом университете им. К. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. К. Сатпаева 22, Институт машиностроения, МСК – 21.

Факс (727)292–60–25, тел. 257–71–83. E-mail: allnt@kazntu.sci.kz

 

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева

 

 

Автореферат разослан «  28   » апреля 2009 г.

 

 

 

 

Ученый секретарь
диссертационного совета                                                       Сазамбаева Б.Т.

ВВЕДЕНИЕ

 

Общая характеристика работы. В основу экономического и социального развития Республики Казахстан положено значительное увеличение выпуска продукции металлургического производства, обеспечивающей потребности машиностроительных и других металлообрабатывающих отраслей народного хозяйства. Особенно в нынешних условиях рыночной экономики, когда необходимо создавать конкурентоспособную продукцию на рынках стран СНГ и мира.

При современном способе производства холоднокатаного проката и жести важное место занимает термическая обработка и дрессировка металла, в значительной мере определяющая механические свойства и качественные характеристики готовой продукции.

Актуальность работы. Работа направлена на совершенствование таких важных элементов как: крыльчатка циркуляционного вентилятора, конвекторных колец и плит направляющих аппаратов, горелок у одностопных колпаковых печей; обводных роликов двукхлетьевых дрессировочных станов, а так же на усовершенствование режимов физико-технической обработки полос на указанном технологическом оборудовании. Актуальность этого направления определяется тем, что производство холоднокатаного листа и жести является завершающей стадией металлургического передела, аккумулирующего в себе его затраты, которые в общей структуре составляют около 90%. Уменьшение количества дефектов холоднокатаного метала, обусловленных несовершенством оборудования колпаковых печей и дрессировочных станов, соответствующей технологии, обеспечивает значительный экономический эффект вследствие повышения объема производства.

Целью работы является улучшение качества холоднокатаных полос путем уменьшения дефектов их поверхности и формы, связанных с физико-технической обработкой в колпаковых печах и двухклетьевых дрессировочных станах, повышении их производительности, уменьшении расхода топливного и защитного газов и расширении сортамента производимой продукции.

Задачи исследования:

анализ современного технического уровня колпаковых печей и дрессировочных станов, технологии производства на данном оборудовании, позволяющих улучшить способы физико-технической обработки материала;

разработка новых конструкций конвекторных колец и направляющего аппарата, крыльчатки циркуляционного вентилятора, позволяющих уменьшить образование поверхностных дефектов;

совершенствование конструкции атмосферно-эжекционных горелок колпаков позволяющее снизить расход топлива и расширить сортамент получаемой продукции;

разработка математической модели нагрева нижнего рулона садки;

определение механических свойств холоднокатаного проката в зависимости от температуры нагрева в колпаковых печах;

разработка новой валковой компоновки первой клети дрессировочных станов, исследование влияния шероховатости неприводных проводковых роликов и опорных валков второй клети дрессировочных станов на качество поверхности и форму холоднокатаных полос.

Научная новизна работы:

установлена регрессионная связь производительности крыльчатки циркуляционного вентилятора с параметрами формы лопаток крыльчатки, что позволило наметить пути увеличения конвективного теплообмена;

методом планируемого эксперимента определены рациональные форма и размеры рабочих поверхностей межрулонных конвекторных колец и опорных плит направляющих аппаратов, позволившие уменьшить количество дефектов «рваная кромка» и «излом»;

разработана математическая модель процесса нагрева нижнего рулона садки, связывающая параметры температуры муфеля и конвективного теплообмена, позволяющая обеспечить рациональный режим термообработки;

выявлены зависимости, связывающие количество дефектов «риска», «царапина» и «разнотонность» с величиной шероховатости поверхности бочек неприводных роликов (тензороликов) и опорных валков второй клети дрессировочного стана;

установлен цикл смены местоположения профилированного рабочего валка в первой клети дрессировочного стана, зависящий от количества продрессированного металла, позволивший увеличить компанию работы опорных валков без получения дефектов «волнистость кромок», «прикромочный пузырь», «местная волнистость», «коробоватость».

Положения, выносимые на защиту:

аналитические зависимости, позволяющие установить рациональные геометрические параметры лопаток циркуляционных вентиляторов, рабочих поверхностей опорных плит направляющих аппаратов и конвекторных колец, позволяющие повысить производительность колпаковой печи и снизить количество дефектов на обрабатываемом материале;

новая конструкция горелок нагревательного колпака, позволяющая снизить расход топливных компонентов и, за счет рационального распределения теплового потока в рабочей зоне печи, получить новые виды продукции;

математическая модель нагрева нижнего рулона садки, отражающая связь между скоростью прогрева садки и условиями конвективного теплообмена;

принципиально новая валковая компоновка первой клети и параметры шероховатости опорных валков во второй клети и неприводных проводковых роликов дрессировочных станов, позволяющие увеличить ресурс их работы с одновременным снижением количества дефектов на материале.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международных научных конференциях «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан–2030»» (г. Караганда, 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г., 2008 г.);

«Научно-технический прогресс в металлургии: IV Международная научно-практическая конференция» (г. Темиртау. 2007 г.);

Публикации. Материалы диссертации изложены в 5-ми статьях российских и 2-х казахстанских журналах, 7-ти международных конференциях, перечень которых утвержден Комитетом по контролю в сфере образования и науки, одной монографии. Получено 6 предварительных патентов и имеется одна заявка на изобретение зарегистрированная в РГКП НИИС.

Практическая ценность. Внедрение результатов данной работы позволяет увеличить производительность колпаковых печей без получения дефекта «сварка», а так же повысит качество жести при дрессировке на АО «АрселорМиттал Темиртау», снизить себестоимость выпускаемой продукции. Разработано конвекторное кольцо и направляющий аппарат, позволяющие снизить отбраковку металла по дефекту «рваная кромка» и «излом», которые защищены предварительными патентами (конвекторное кольцо и направляющий аппарат одностопной колпаковой печи, №17649 и №18075 соответственно). Для интенсификации нагрева и охлаждения садки с целью повышения производительности колпаковых печей, экономии топлива и снижения разброса по уровню механических свойств отжигаемого проката разработана крыльчатка циркуляционного вентилятора (крыльчатка циркуляционного вентилятора колпаковой печи, зарегистрирована в ОГКП НИИС РК заявка на изобретение №2006/1304.1 от 21.11.2006 г). Для снижения дефектов «риски», «наколы» и «царапины» разработан способ подготовки поверхности бочек проводковых роликов (способ повышения эксплуатационной стойкости проводковых роликов дрессировочных станов, №17216). Для улучшения планшетности дрессируемой жести разработана новая валковая компоновка (способ повышения эксплуатационной стойкости опорных валков клети №1 дрессировочных станов типа «Кварто», №18117). Для улучшения товарного вида производимой жести разработан способ подготовки поверхностей бочек опорных валков в клети №2 (способ подготовки опорных валков клети двухклетьевых дрессировочных станов типа «Кварто», №18979).

Работа выполнена по целевой научно-технической программе «Создание высокоэффективной технологии и оборудования» за №04-1/1015 от 03,08,1995 г. Министерства науки и новых технологий.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложений. Изложена на 146 страницах, включая 71 рисунок и 27 таблиц. Библиографический список включает 123 наименований работ. Приложения содержат 15 страниц.

Основное содержание работы

В первом разделе работы в результате всестороннего анализа причин образования вышеназванных дефектов были определены пути модернизации существующих в ЛПЦ–3 АО «АрселорМиттал Темиртау» колпаковых печей и двухклетьевых дрессировочных станов с целью улучшения качества производимой цехом продукции и снижения материальных затрат.

На основании проведенного анализа сформулирована цель и основные задачи исследования.

Во втором разделе представлены методики проведения лабораторных и промышленных испытаний модернизированных и предложенных конструктивных элементов одностопных колпаковых печей для снижении дефектообразования, повышения производительности и улучшения потребительских свойств холоднокатаного проката и жести.

Как показала практика, первоначально используемые крыльчатки (проектные), достаточно производительны, но имеют большую массу (90 кг), что приводило к частым аварийным остановкам циркуляционного вентилятора. Их заменили более легкими крыльчатками (массой 45 кг), исключившими аварийные остановки циркуляционных вентиляторов, но снизившими производительность печей.

Поэтому была поставлена задача по разработке новой крыльчатки циркуляционного вентилятора, повышающей производительность печи без увеличения аварийных остановок.

Поставленная задача решалась путем лабораторных и промышленных исследований. При этом в качестве прототипа была выбрана ныне используемая облегченная крыльчатка, поскольку одним из основных конструктивных ограничений являлась масса крыльчатки, которая не должна превышать 50 кг. Усовершенствование заключалось в увеличении верхней части лопатки, в их изгибе под определенным углом (рисунок 1).

 

 

m – высота в самой высокой вертикальной части лопатки;
n – максимальная высота лопатки; a – угол загиба верхней части лопатки к горизонтальной плоскости; l – длина загнутой части

 

Рисунок 1 – Схема лопатки крыльчатки

 

Для отыскания рациональных a и l, провели серию экспериментов на модели направляющего аппарата в масштабе 1:5. Ограничивающим фактором являлся параметр n, который на модели не должна превышать 37 мм (185 мм для промышленного варианта).

Эксперименты проводили в два этапа. Общим для обоих этапов было следующее: a варьировался от 90º до 75º (при 90º получалась подвергаемая модернизации в данный момент крыльчатка). Изменение a проводили с шагом в 15º.

На первом этапе оставляли неизменным параметр m, т.е. его величина оставалась такой же, как у используемой в настоящий момент крыльчатки, а варьировали только l в зависимости от a.

На втором этапе эксперимента выбирали ту длину l, при которой были получены лучшие результаты. В дальнейшем при производстве экспериментов варьировали a (аналогично первому этапу) и m.

Результаты экспериментов представлены на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 – Производительности крыльчаток, полученные
при проведении модельных испытаний

 

Для каждого этапа были получены регрессионные уравнения, с помощью которых удалось рассчитать наиболее оптимальные значения угла загиба (30°) и длины загнутого конца лопастей (12 мм, для промышленного варианта, соответственно 60 мм).

По результатам экспериментов были построены следующие регрессионные уравнения:

  для первого этапа эксперимента

У1 = 158,96 + 1,4223 х – 0,0419 х2 + 0,0003 х3,

где У1 – производительность крыльчаток при проведении 1-го этапа эксперимента;

х – угол a сгиба;

  для второго этапа эксперимента

У2 = 145,13 + 2,2382 х – 0,0489 х2 + 0,0003 х3,

где У2 – производительность крыльчаток при проведении 2-го этапа эксперимента;

х – длина загнутой части лопатки l и угла загиба a для первого и второго этапов эксперимента соответственно.

Для нахождения наиболее эффективного угла наклона верхней части лопатки крыльчатки, использовали полученное уравнение по второму этапу эксперимента, так как выяснено, что именно при этой длине лопатки производительность ЦВ самая максимальная. Кроме того, расчетные результаты, полученные с использованием уравнения второго этапа эксперимента, наиболее близкие к экспериментальным данным.

Поскольку, при проведении экспериментов, мы получили наибольшую производительности при угле загиба в 30°, то для расчетов возьмем интервал от 27° до 33°. Результаты расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Расчетные значения производительности крыльчаток с различными углами наклона верхней части лопатки в окрестности максимальной производительности, полученной в процессе экспериментов

Угол загиба верхней части лопатки, град.

27

28

29

30

31

32

33

Производительность, м3

175,33

175,50

175,61

175,68

175,70

175,67

175,60

 

Из таблицы 1 видно, что наибольшую производительность крыльчатки будет получена при угле наклона верхней части лопатки равным 31°.

В промышленных условиях провели сравнительные испытания всех трех крыльчаток, о которых говорилось выше (проектная, эксплуатируемая и предлагаемая по результатам лабораторных исследований), которые показаны на рисунке 3.

 

а

б

в

 

а) – проектная; б) – эксплуатируемая; в) – предлагаемая

 

Рисунок 3 – Испытываемые крыльчатки

 

Результаты эксперимента представлены в таблице 2. Согласно полученным данным, предлагаемая крыльчатка оказалась на 23,58% производительнее.

 

Таблица 2 – Суммарный расход воздуха и прирост увеличения производительности

Тип крыльчатки

Производительность, м3/час

Прирост
производительности, %

проектная

20893,94

33,54

эксплуатируемая

15646,36

предлагаемая

19336,00

23,58

 

Испытания опытной крыльчатки при отжиге металла текущего производства показали, что результаты механических испытаний на растяжение и твердость, конструкционной стали соответствуют марке стали USt–13 по
DIN 1623–83, хотя режим отжига был назначен на получение стали марки
USt–12 согласно действующей технологической инструкции для существующей крыльчатки.

Жесть толщиной до 0,30 мм, отжигаемая на «А1» и «А2» вся соответствует требованиям ГОСТ 13345–85, жесть толщиной свыше 0,30 мм и отжигаемая на «А2» получилась даже мягче и вся соответствовала твердости «А1». На рисунке 4 представлены сравнительные результаты механических свойств конструкционного проката, отожженного с эксплуатируемой и предлагаемой крыльчатками.

sТ – предел текучести; sВ – предел прочности;
IE – выдавливание сферической лунки по Эриксену

 

Рисунок 4 – Сравнительные результаты механических свойств
конструкционного проката, отожженного с эксплуатируемой
и предлагаемой крыльчатками

 

Полученные результаты подтверждают эффективность применения новой крыльчатки. Ее внедрение на стендах потребует корректировки режимов отжига, поскольку даже после сокращения времени отжига на 2 часа, отжигаемая сталь имеет механические свойства выше необходимого уровня.

В этой главе изложена методика определения прогрева садки с применением вышеуказанных крыльчаток, для чего специально приготовили рулонов, с отверстиями различной глубины в боковой поверхности для закладки термопар.

При проведении экспериментов, было выявлено, что лучше металл прогревается при использовании проектной крыльчатки, близкие результаты показала предлагаемая крыльчатка и намного хуже – эксплуатируемая. Результаты представлены в таблице 3. Кроме того, установлено, что прирост производительности печи с проектной крыльчаткой оказался выше на 10,8%, с предлагаемой на 8,1% по отношению к печи, где установлена эксплуатируемая крыльчатка.

 

Таблица 3 – Распределение температуры в опытных садках к концу отжига.

Тип крыльчатки

Номер области замера

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Проектная (рис. 3а)

695

650

625

650

700

655

660

695

700

670

680

705

Эксплуатируемая (рис. 3б)

690

630

600

640

680

650

660

675

685

670

680

695

Предлагаемая (рис. 3в)

680

635

615

630

685

650

670

675

685

670

680

700

 

С целью снижения сварки витков рулонов по кромке и, как следствие, отсортировки жести в брак, предложены конвекторные кольца и опорная плита направляющего аппарата с измененной рабочей поверхностью. Для определения рациональных геометрических характеристик рабочих поверхностей был проведен планируемый эксперимент, в результате которого получено следующее уравнение с кодированными переменными:

У = 0,1185 + 0,0878х1 – 0,0209х2 +0,0203х3 – 0,0140х4,

где У = hСВ/hНАМ (hСВ – толщина намотки со сваркой, hНАМ – толщина намотки рулона);

х1 – радиус начала скоса, мм;

х2 – высота скоса на внешнем радиусе кольца, мм;

х3 – высота локальных неровностей, мм;

х4 – шероховатость полосы, мкм.

После перехода к натуральным выражениям факторов получено уравнение:

УН = – 0,4157 + 0,0009х – 0,0105х +0,0034х – 0,2333х

С помощью уравнения с натуральными значениями переменных можно определить сколько можно получить сварки витков рулонов в зависимости от шероховатости поверхности отжигаемой полосы и характера рабочих поверхностей конвекторных колец (опорной плиты направляющего аппарата).

В процессе крутого восхождения определены параметры рабочих поверхностей конвекторных колец опорной плиты направляющего аппарата. Эскизы конвекторных колец и направляющего аппарата с измененными рабочими поверхностями представлены на рисунках 5 и 6.

 

 

 

 

 

 

1 – корпус направляющего аппарата;
2 – крыльчатка циркуляционного вентилятора; 3 – звено направляющего аппарата; 4 – опорное кольцо со скошенной рабочей поверхностью;
5 – стендовое конвекторное кольцо

1 – опорная плита со скошенной рабочей поверхностью, 2 – ребра жесткости

 

 

 

 

Рисунок 5 – Эскиз конвекторного кольца с измененной рабочей
поверхностью

Рисунок 6 – Эскиз направляющего аппарата с опорной плитой новой
конструкции

 

 

На рисунке 7 показана отсортировка (с накоплением) металла по дефектам «излом» и «рваная кромка» в процессе эксплуатации существующих и предлагаемых конвекторных колец.

Предлагаемые конвекторные кольца

 

Конвекторные кольца с плоскими рабочими поверхностями

 

Рисунок 7 – Отсортировка жести на эксплуатируемых и предлагаемых
конвекторных кольцах

 

С целью возможности проведения низкотемпературного отжига для получения штампуемой оцинкованной стали и уменьшения расхода топлива при обычном рекристаллизационном отжиге холоднокатаного проката было пересчитано сопло, инжекционные отверстия смесительная камера и решетка на выходе горелки. После оснащения колпака новыми горелками провели эксперимент по перестариванию (температура по стендовой термопаре не превышала 280°С) нормализованного оцинкованного проката. После такой термообработки с последующей дрессировкой, данная сталь соответствовала марке стали под штамповку DX53D по EN 10142:1995. Ранее, без искусственного перестаривания такую сталь получать не удавалось.

Кроме того, при работе печи с таким колпаком в штатном режиме, удалось получить экономию топлива в 8,87 кг.у.т./т или 16,12% по сравнению с проектными горелками (55,01 кг.у.т./т против 46,14 кг.у.т./т).

В третьем разделе приведено описание математической модели нагрева нижнего в садке рулона (как наиболее холодного) при его нагреве в колпаковой печи. Для расчета нагрева рулона приняли, что распространение тепла в рулоне происходит в радиальном и аксиальном направлениях. Для решения такой задачи использовался метод сеток.

Математическая формулировка задачи включает в себя:

– уравнение теплопроводности

                                                                 ,                                                                 

где сr – удельная теплоемкость стали, Дж/(м3 × К);

t – момент времени, час;

ТР – температура, К;

r – текущий радиус рулона (радиальное направление), м;

z – координата по высоте рулона (аксиальное направление), м;

lr – коэффициент теплопроводности в радиальном направлении, Вт/(м × К);

l – коэффициент теплопроводности в аксиальном направлении, Вт/(м × К).

Граничные условия на разных поверхностях рулона:

внутренней                  ;                                                       

внешней                      ;                                                        

нижней                        ;                                                      

верхней                       ;                                                        

здесь  – плотности теплового потока на внутренней, внешней, нижней и верхней поверхностях рулона, Вт/м2.

Компьютерную программу расчета прогрева составляли только для нижнего рулона.

Конвективный теплообмен в конвекторных кольцах (на торцах рулонов), предварительно определив расход газа между рулонами определяется по формуле:

где uЗ.Г. – скорость движения защитного газа, м/с;

i – местоположение конвекторного кольца (начало отсчета – снизу).

Значения конвективной теплоотдачи на нижнем и верхнем торцах рулона составили 50 и 62,6 Вт/(м2∙К) соответственно.

Для определения температуры во внутренней полости рулона сразу за крыльчаткой устанавливали дополнительную термопару, показания которой принимали как температуру защитного газа в этой полости.

Расчет этой температуры производили по формуле

ТЗ.Г.Вн = ТШТDТ,

где ТШТ – температура газа по штатной термопаре, К,

DТ – разница температур между показаниями штатной термопары и дополнительной, К.

При этом, DТ после аппроксимации находится по формуле

DТ = –0,0002t4 + 0,0218t3 + 0,9576t2 + 15,203t + 4,7588.

При расчетах также учитывались теплопроводности рулона в радиальном и аксиальном направлениях. В аксиальном направлении теплопроводность принимали равной теплопроводности малоуглеродистой стали и, в зависимости от температуры, находили по формуле

lМ = –0,0368×Т + 69,5937.

Здесь lМ – теплопроводность стали, Вт/(м×К);

Т – текущая температура металла, К.

Теплопроводность в радиальном направлении принимали как эквивалентную теплопроводность анизотропных тел и рассчитывали по формуле

,

где а – степень контакта между витками полосы металла в рулоне (обычно принимается, что а = 0,03);

h – коэффициент заполнения рулона;

lГ – коэффициент теплопроводности газа в зазоре между витками, Вт/(м×К);

a – коэффициент теплоотдачи излучением через газовые прослойки, Вт/(м3×К);

В свою очередь, коэффициент теплопроводности защитного газа при составе N2 = 95%, а Н2 = 5% рассчитывали по формуле

lГ = ((0,00000496548×Т + 0,001416) × 0,95 + (0,000425357×Т + 0,018017) × 0,05)

Кроме того, при расчетах учитывали изменение коэффициентов температуропроводности рулона:

– в радиальном направлении (м2/ч)

;

– в аксиальном направлении (м2/ч)

,

где сМ – теплоемкость металла, кДж/(кг×К);

ρМ – плотность металла, =7850 кг/м3.

На рисунке 8 представлены экспериментальные и расчетные температуры в конце режима нагрева садки.

Из данного рисунка хорошо видно, что в самой холодной точке рулона (точка 3) расхождение температур минимально и составляет всего 3°С.

б

 

а

 

 

а – экспериментальные значения температур; б – расчетные значения температур; 0 – температура на внешнем витке; 1-4 – расположение термопар по сечению намотки рулона; 5 – температура на внутреннем витке

 

Рисунок 8 – Расчетные и экспериментальные значения температур

Добиться этого удалось за счет введения в математическую модель дополнительного настроечного коэффициента

,

где b – эмпирический коэффициент, колеблющийся от 0 до 1;

i – шаг, на котором производится расчет температуры.

Коэффициент К был получен в результате аппроксимации разницы результатов температур между экспериментальными и расчетными данными. После чего этот коэффициент вводился в уравнение. Поскольку наиболее важно правильно рассчитать температуру в наиболее холодной области, то подбор значения эмпирического коэффициента b производился опытным путем в результате нескольких расчетов и их сравнением с экспериментальными данными.

Сопоставление результатов расчета разработанным методом с экспериментальными данными показал хорошее согласование, практически совпадающих в период выдержки и отличающихся не более чем на 10% на участке подъема температуры. Отжиг металла в колпаковых печах с использованием математической модели для получения сталей различного назначения показал, что расчет прогрева садки осуществляется достаточно корректно. Вся сталь по уровню механических свойств соответствовала тем параметрам, на которые она назначалась. Анализ микроструктуры отобранных образцов показал хорошее совпадение с образцами, на которых ранее проводили лабораторные исследования по моделированию колпакового отжига при различных температурах выдержки, В процессе этих лабораторных экспериментов определялся балл зерна феррита, структурно свободного цементита и механические свойства, соответствующие данной микроструктуре.

В четвертом разделе рассмотрены способы снижения таких дефектов как: «риски» и «царапины», «волнистость кромок», «прикромочный пузырь», «местная волнистость», «коробоватость», «разнотонность», возникающих на дрессировочных станах в процессе дрессировки холоднокатаного проката и жести.

В процессе проведения планируемого эксперимента было получено уравнение,

У = 284,81 + 126,31х1 + 73,563х3 + 10,813х1х3,

где х1 – шероховатость бочки проводкового ролика (Ra), мкм;

х2 – качественный фактор; в эксперименте участвовали ролики, изготовленные из стали 40Х (+) и 20Х (–);

х3 – плотность пиков на бочке ролика, шт/см2.

При переходе от кодированных значений факторов к натуральным уравнение приняло вид:

УН = – 125,73 + 16,613х + 2,921х + 0,1081хх.

Используя данное уравнение, можно определить количество продрессированного металла без дефектов «риска» и «царапина» (рисунок 9). Уравнение также показывает, что можно заменить сталь 40Х на более дешевую сталь 20Х.

Предложен новый способ подготовки бочек обводных роликов, заключающийся в нанесении на их поверхность шероховатости 9,0–12,0 мкм, а плотность пиков не менее 80–100 пиков/см2. Это позволило увеличить продолжительность кампании с двух до восьми месяцев без увеличения возврата металла на передрессировку для устранения этих дефектов.

Рисунок 9 – Номограмма для определения количества жести, производимой без дефектов «риска» и «царапина» с учетом шероховатости бочек роликов и плотности пиков

 

Для достижения равномерной выработки опорных валков в клети №1 дрессировочных станов и увеличения ресурса их работы без увеличения дефектов формы «волнистость кромки», «прикромочный пузырь», «местная волнистость», «коробоватость» был предложен новый способ компоновки рабочих валков. Сущность способа заключается в периодической смене контакта профилированного рабочего валка с верхним и нижним опорным валком в процессе компании.

Для определения рациональных параметров бочки рабочего валка и цикла смены местоположения профилированного валка был спланирован и реализован планируемый эксперимент типа 24–1, в результате чего получено следующее уравнение в кодированных переменных:

У = 6,8 – 1,263х1 – 1,500х2 – 0,513х3 + 0,375х4 + 0,325х2х4,

где У – количество металла, подвергавшегося повторной дрессировке по дефектам формы, %;

х1 – выпуклость рабочего валка, мм;

х2 – количество металла, прокатанного при одном из положений профилированного валка, т;

х3 – шероховатость рабочих валков (Ra), мкм.

х4 – количество металла, прокатанного согласно плана эксперимента, после чего производилась перевалка опорных валков, т.

Переведя уравнение из кодированных коэффициентов в натуральные, имеем:

УН = 15,713 – 25,2250х – 0,007х – 0,513х – 0,069х + 0,0002хх

После реализации крутого восхождения по поверхности отклика для варьируемых факторов определены следующие значения факторов, доставляющие оптимум (мин.) параметрам оптимизации:

выпуклость профилированного валка, составляющая 0,10 мм;

количество продрессированного металла, после которого производится смена положения профилированного валка, составляет 1250 т;

шероховатость (Ra) рабочих валков составила 2,0 мкм;

кампания работы опорных валков составит 15100 т.

В результате промышленных испытаний опытной компоновки валкового узла клети №1 дрессировочных станов количество продрессированного металла на одном комплекте опорных валков удалось поднять до 15000–17000 т, с одновременным снижением отсортировки металла по ранее названным дефектам формы полосы. При этом смена положения профилированного валка производилась через 1000–1500 т. Возврат на повторную дрессировку по данным дефектам снизился с 10% до 4,4%.

С целью увеличения выхода жести с дрессировочных станов без дефекта «разнотонность» была выявлена причина его возникновения, заключающаяся в проскальзывании между опорными и рабочими валками. Для предотвращения этого явления было предложено увеличить шероховатость опорных валков. Увеличивать шероховатость рабочих валков нельзя из-за недопустимости увеличения шероховатости поверхности жести.

После планирования и реализации эксперимента типа 24–1 было получено уравнение в кодированных переменных:

У = 7,463 + 1,775х1 + 1,025х3 + 0,29х1х3,

где У – количество металла полученного без явной «разнотонности» на компанию работы опорных валков, т;

х1 – шероховатость бочек опорных валков (Ra), мкм;

х2 – количество металла, прокатываемого за определенный этап эксперимента, т;

х3 – плотность пиков на бочке опорного валка, шт/см2.

При переходе от кодированных значений факторов к натуральным, уравнение приняло вид:

УН = 0,493 + 1,118х + 0,080х + 0,016хх.

Имея данное уравнение, можно просчитать, сколько можно получить жести без дефекта «разнотонность» (рисунок 10), т.е. прогнозировать количество продрессированной жести без данного дефекта.

 

Рисунок 10 – Номограмма для определения количества жести, производимой без дефекта «разнотонность» с учетом шероховатости бочек валков и плотности пиков

 

По результатам исследований принято использовать опорные валки с шероховатостью бочек 2,8–3,2 мкм по сравнению с ранее применявшейся шероховатостью 0,5–0,7 мкм и количеством пиков 50–55 шт/см2. Это позволило увеличить срок эксплуатации одного комплекта опорных валков во второй клети без образования дефекта «разнотонность» с 1,8 тыс. т до 9,5 тыс. т.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1     В результате модельных испытаний была найдена и предложена новая конструкция крыльчатки циркуляционного вентилятора, производительность которой, на 18% выше по сравнению с эксплуатируемой крыльчаткой, получено уравнение производительности, в зависимости от длины загнутой части лопатки при неизменном угле атаки.

2     Промышленные испытания предлагаемой крыльчатки показали, что она на 23,58% производительнее эксплуатируемой, а производительность печи при этом выросла на 8,1%.

3     Разработаны и методами математического планирования экспериментов рассчитаны рабочие поверхности конвекторных колец и опорных плит направляющих аппаратов, позволивших минимизировать образование сварки кромок рулонов.

4     Рассчитаны рациональные рабочие параметры горелок колпаков, позволяющие проводить низкотемпературный отпуск металла, который невозможно было провести с ранее используемыми горелками. При работе печи в штатном режиме, удалось получить экономию топлива в 8,87 кг.у.т./т или 16,12%.

5     Разработана математическая модель нагрева нижнего рулона садки, позволяющей с погрешностью в 3°С (относительно экспериментальных данных) производить расчет нагрева рулонов. С использованием модели появилась возможность сократить время отжига, по сравнению с существующими режимами, получая при этом металл с необходимым уровнем механических свойств и дополнительно экономить топливный и защитный газы.

6     С использованием метода планируемого эксперимента получены уравнения, которые позволяют:

  определять параметры шероховатости поверхностей бочек опорных валков второй клети и неприводных роликов, расположенных за этой клетью дрессировочных станов увеличивающие ресурс их работы и уменьшающие количество образования дефектов «риска», «царапина», «разнотонность»;

  определять продолжительность работы профилированного рабочего валка в определенном положении в первой клети дрессировочного стана с целью повышения срока эксплуатации опорных валков без образования дефектов формы полосы.

7     Предлагаемые технические решения рекомендованы для внедрения на АО «АрселорМиттал Темиртау». Технические решения по колпаковым печам находятся на стадии внедрения, технические решения по дрессировочным станам внедрены в производство.

8     Экономический эффект от внедрения всех предложенных технических решений составит не менее 63090000 тенге (491800 USD).

 

 

Список опубликованных работ по теме диссертации

 

1     Кузьминов И.И., Винокуров О.В. Исследование производительности крыльчаток центробежных вентиляторов колпаковых печей // Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030»: Труды международной научной конференции. КарГТУ. Ч.2. – Караганда, 2004. – С. 112-114.

2     Голкин Ю.Е., Сабельников Ю.А., Кузьминов И.И., Винокуров О.В. Причины образования на жести при дрессировке дефекта «разнотонность» и методы снижения его интенсивности // Металлург. – 2004. – №11. – С. 50–52.

3     Кузьминов И.И. Использование автоматической системы управления при колпаковом отжиге / Труды международной научной конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030»». – Темиртау, 2005 г. – С. 241-243.

4     Сабельников Ю.А., Кузьминов И.И. Способ увеличения эксплуатационной стойкости проводковых роликов высокоскоростных дрессировочных станов // Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030»: Труды международной научной конференции. КарГТУ. Ч.2. – Караганда, 2005. – С. 271-273.

5     Кузьминов И.И., Сабельников Ю.А., Зубков С.В., Долженко А.В., Лыжин Ю.А., Корнилин С.В. Снижение отсортировки жести по дефекту «рваная кромка» при колпаковом отжиге. // Металлург. – 2005. – №8. – С. 63-64.

6     Кузьминов И.И., Винокуров О.В. Совершенствование технологии отжига холоднокатаных рулонов на АО «Миттал Стил Темиртау» // Технология производства металлов и вторичных материалов. – 2005. – №1 (7). – С 121-127.

7     Богуш М.В., Кузьминов И.И., Орлов С.Ю. Система управления процессом отжига в колпаковых печах на основе микроконтроллеров // Металлург. – 2006. – №3. – С. 58-60.

8     Кузьминов И.И., Кузьминова Н.Ю. Исследование нагрева крупнотоннажных холоднокатаных рулонов в одностопных колпаковых печах в условиях АО «Миттал Стил Темиртау» // Технология производства металлов и вторичных материалов. – 2006. – №2 (10). – С 142-152.

9     Кузьминов И.И., Сабельников Ю.А. Промышленные испытания крыльчатки нового дизайна на стенде одностопной колпаковой печи // Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030»: Труды международной научной конференции. КарГТУ. Ч.2. – Караганда, 2006. – С. 302-304.

10     Предварительный патент №17216 МКИ В21В 28/02 РК. Способ повышения эксплуатационной стойкости проводковых роликов дрессировочных станов / Сабельников Ю.А., Кузьминов И.И., Долженко А.В., Бондаренко Ю.В.; опубл. 14.04.2006, промышленная собственность. Официальный бюл. №4. – 1 с.

11     Предварительный патент №17649 РК, МКИ С21D 9/673, F27B 11/00. Конвекторное кольцо / Кузьминов И.И., Сабельников Ю.А., Зубков С.В., Долженко А.В., Лыжин Ю.А., Корнилин С.В.; опубл. 15.08.2006, промышленная собственность. Официальный бюл. №8. – 1 с.

12     Предварительный патент №18075 РК, МКИ С21D 9/673, F27B 11/00 Направляющий аппарат одностопной колпаковой печи / Кузьминов И.И., Сабельников Ю.А., Зубков С.В., Долженко А.В., Лыжин Ю.А., Корнилин С.В.; опубл. 15.12.2006, промышленная собственность. Официальный бюл. №12 (I). – 1 с.

13     Предварительный патент №18117 РК, МКИ В 21 В 28/02. Способ повышения эксплуатационной стойкости опорных валков клети №1 дрессировочных станов типа «кварто» / Сабельников Ю.А., Кузьминов И.И., Долженко А.В.; Бондаренко Ю.В., Сергеева С.В. опубл. 15.12.2006, промышленная собственность. Официальный бюл. №12 (II). – 1 с.

14     Кузьминов И.И. Совершенствование одностопных колпаковых печей для отжига плотно смотанных холоднокатаных рулонов. Часть 2 // Бюллетень института черметинформации. – 2007. – №4. – С. 45-48.

15     Кузьминов И.И. Совершенствование одностопных колпаковых печей для отжига плотно смотанных холоднокатаных рулонов. Часть 3 // Бюллетень института черметинформации. 2007. – №5. – С. 47-53.

16     Кузьминов И.И. Совершенствование одностопных колпаковых печей для отжига плотно смотанных холоднокатаных рулонов. Часть 5 // Бюллетень института черметинформации. 2007. – №7. – С. 32-39.

17     Машеков С.А., Кузьминов И.И., Кузьминова Н.Ю. Совершенствование конструкции направляющих аппаратов одностопных колпаковых печей // «Научно-технический прогресс в металлургии»: Труды международной научно-практической конференции КГИУ. - Темиртау, 2007. – С. 266-272.

18     Кузьминов И.И., Зубков С.В., Лыжин Ю.А. Совершенствование конструкции циркуляционного вентилятора в колпаковых печах // Сталь. – 2007. – №8. – С. 89-90.

19     Предварительный патент №18979 РК, МКИ В21В28. Способ подготовки опорных валков клети двухклетевых дрессировочных станов типа «кварто» / Сабельников Ю.А., Кузьминов И.И., Долженко А.В., Бондаренко Ю.В., Сергеева С.В.; опубл. 18.12.2007, промышленная собственность. Официальный бюл. №12. – 1 с.

20     Машеков С.А., Кузьминов И.И. О возможности низкотемпературного отпуска в колпаковых печах в условиях АО «Миттал Стил Темиртау» / Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030»: Труды международной научной конференции. КарГТУ. Ч.2. – Караганда, 2007. – С. 160-162.

21     Технология прокатного производства Машеков С.А., Кузьминов И.И., Абсадыков Б.Н., Курмангалиева Л.А., Смаилова Г.А. / Алматы: Tetraprint, 2007. – 334 с.

22     Машеков С.А, Сабельников Ю.А., Кузьминов И.И., Кузьминова Н.Ю. Оптимизация валковой компоновки клети №1 дрессировочных станов ЛПЦ–3 АО «АрселорМиттал Темиртау» // Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030»: Труды международной научной конференции. КарГТУ. Ч.2. – Караганда, 2008. – С. 171-173.

23     Предварительный патент №19709 РК, С21D 9/48. Способ производства штампуемых оцинкованных стальных полос / Зазуля В.М. Ладыгина Н.Р., Винокуров О.В., Кузьминов И.И., Сабельников Ю.А.; опубл. 15.07.2008, промышленная собственность. Официальный бюл. №7. – 1с.


Кузьминов Игорь Иванович

 

Жабдықтарды және өңдеу технологиясын жақсарту жолымен суықтай илемделген жолақтың және қаңылтырдың сопасын жоғарлату

 

05.03.01 – «Механикалық және физико-техникалық өңдеу технологиясы мен жабдығы» мамандығы бойынша техникалық ғылымдар кандидаты дәрежесін алу үшін дайындалған диссертацияның авторефератына

 

ТҮЙІНДЕМЕ

 

Жұмыстың мақсаты – салқындай тапталған болат пен жұқа қаңылтырдың сапасын жақсарту және жабдық өнімділігін жоғарылату мақсатында оларды өндірудің соңғы өңдеулерін зерттеу.

Осы жұмыстың ғылыми міндеттері: бірқатарлы қалпақты пештер мен екіклетті стандардың жеке элементтерінің конструкциясын модернизациялау, сонымен қатар қалпақты пештер мен екі клетті стандарда жолақты физико-техникалық өңдеудің рационалды режимдерін енгізу. Бұл бағыттың өзектілігі осы өңдеулерде берілген материалды өндіру өндірістің қорытынды стадиясы болып келетіндігімен анықталады. Осында пайда болатын ақаулар жөндеуге тұрғысыз және де міндетті түрде жарамсызданады. Жоғарыда келтірілген жабдықта ақаудың пада болуын төмендету елеулі экономикалық тиімділікке әкеледі.

Диссертациялық жұмыстың ғылыми жаңашылдығы:

жеңіл, сонымен қатар өнімді крыльчатканы конструкциялау кезінде соңғысының лопаткасының рационалды пішіні орнатылды, ол басқа крыльчатка түрлерімен салыстырғанда қазіргі кездегі қолданылатын крыльчатканың жұмыс ұзақтылығын сақтай отырып, конвекцияның жоғарылауын қамтамасыз етумен ерекшеленеді;

зерттеулермен конвекторлы сақиналардың жұмыс беттерінің геометриялық өлшемдері мен бағыттаушы аппараттың тіреу плитасына тәуелді «жыртылған жиек» және «иіліп бұзылу» ақауларының пайда болу байланысы айқындалды, бұл олардың рационалды режимдерін орнатуға мүмкіндік берді;

объектінің кез-келген нүктесінде берілген механикалық қасиеттерді қамтамасыз етумен үрдістің ұзақтылық есептеулерінің дәлдігін жоғарылатуға мүмкіндік берген орамдардың биіктігі мен массасын ескерумен қалпақты пештерде оларды физико-техникалық өңдеудің математикалық моделі ұсынылған, бұл үрдіс уақытын екі ден төрт сағатқа дейін қысқартты;

ширықтырылатын жолақта «сызықтар», «тырналған іздер» және «әртүстілік» ақауларының пайда болуына екінші клет тіреу біліктері мен осы клеттен кейін оналасқан жетексіз роликтер бөшкелерінің беттеріндегі кедір-бұдырлық мәні мен төбелер санының әсері айқындалған және зерттеулер арқылы біліктер мен роликтердің бөшкелерін өңдеу тазалығына осы ақаулардың пайда болуынының аналитикалық тәуелділігі орнатылған, бұл ақаулардың түзілуінсіз олардың жұмыс ресурстарын жоғарылату мен ақаусыз таптама шығару санын болжауға мүмкіндік берді;

профилденген және цилиндрлі жұмыс біліктерінің орналасу жағдайын ауыстыру нәтижесінде бірінші клеттің тіреу біліктерінің қажалуын төмендету тиімділігі айқындалды. Бұл тиімділікті зерттеу нәтижесінде 1250 тонна таптамадан кейін жұмыс біліктерінің жағдайын ауыстырудың рационалды циклы анықталды, бұл өнім палншеттілігін төмендетусіз тіреу біліктерінің жұмыс компаниясын 2,5 есе жоғарылатуға мұмкіндік берді.

Зерттеу объектілері: бір қатарлы қалпақты пештер, екіклетті ширықтыру станы және берілген жабдықта салқындай тапталған металл мен жұқа қаңылтырды физико-техникалық өңдеу тәсілдері.

Қорғауға келесі мәселелер шығарылады:

крыльчатка лопаткасының профил пішініне қалпақты пештің циркуляциялаушы желдеткіш өніділігінің жоғарылау тәуелділігі;

көпфакторлы жоспарланатын тәжірибелер негізінде орам аралық конверкторлы сақиналар мен бағыттаушы аппараттардың тіреу плиталарының жұмыс беттерінің геометриялық пішіндерін оптимизациялау әдісі;

қалпақты пештердің стандартты емес жұмыс режимдерін есептеу әдістемесі, бұл ортатемпературалық жасытуды (жасанды қайта құру) өткізу мүмкіндігін қатамасыз етті;

материалдың қажетті механикалық қасиеттер деңгейін қамтамасыз ете отырып цикл уақытын төмендетуге мүмкіндік беретін қалпақты пештерде металды өңдеудің математикалық моделі;

Ширықтыру станының екініші клетіндегі тіреу біліктері мен одан кейін орналасқан жетексіз роликтердің жұмыс беттеріндегі кедір-бұдырлық пен төбелер санына, сонымен қатар станның бірінші клетіндегі жұмыс біліктерінің орналасу жағдайын ауыстыру циклына тәуелді брактың пайда болуын байланыстыратын теңдеулер.

Ғылыми нәтижелер мен қортындылардың дұрыстығы ғылыми көріністер мен көпфакторлы жоспарланатын тәжірибелер негізіндегі математикалық аппарат базасында орындалған зерттеулермен негізделген. Барлық аналитикалық жолмен алынған тәуелділіктер өнеркәсіптік жабдықта тәжірибе жүргізу кезінде тексерілді және расталды.


Kuzminov Igor Ivanovich

 

Improvement of Cold-Rolled Strips and Black Plate Quality Due
to the Equipment and Treatment Technology Development

 

Branch of study 05.03.01 – «Technology and equipment of mechanical and physical & technical processing» for obtaining of scientific degree of technical science candidate.

 

SUMMARY

 

The purpose of the work is a research of finish stages of cold rolled steel and tin plate production with the purpose of products quality improvement and equipment productivity increase.

The scientific mission of the given work is modernization of structure of individual elements of single-stack furnaces and 2-stand tempering mills as well as implementation of rational modes of physical & technical processing of strip in bell-type furnaces and tempering mills. The work is important today because production of the given product at these production areas is the final stage of production.

Defects occurred at this stage cannot be corrected and are subject to rejection without fail. Reduction of defects at the above mentioned equipment will result in essential economic effect.

The scientific novelty of the given dissertation is as follows:

when designing a soft but at the same time productive impeller it became possible to define the rational form of a blade. The form differs from the other types that can be observed after  comparing the same to other types of impellers, in this case the form resulted in convection increase with the same operation durability as impeller being applied presently;

as a result of research one could define the connection between such defects as «torn edge» & «breakage»  depending on geometric sizes of operating surfaces of convector rings and support plate of guide vane that enabled to define their rational sizes;

mathematical model of physical & technical processing of coils in bell-type furnaces has been proposed taking into account furnaces’ height and weight. The model enabled to increase accuracy of process duration calculation at the same time ensuring the specified mechanical properties in any point of an object that reduced process time from 2 hours to 4 hours;

it became possible to reveal the impact of roughness size and quantity of peak points at back-up rolls body surface at 2nd  stand and idling rolls located behind the stand on such defects as «hairlines», «scratches» and «two-tones» at strip being tempered. As a result of research it became possible to reveal the analytical dependence of formation of the given defects on cleanness of rolls and rollers body processing that enabled to increase operational life without defects formation as well as to forecast the rolled products yield without defects;

it became possible to reveal the impression of deterioration reduction of back-up rolls of the 1st stand as a result of change of shaped and cylindrical operating rolls location. As a result of the research of the given impression it became possible to find rational cycle of operating rolls location change after 1250 t rolling that enabled to increase operation life of back-up rolls in 2,5 times without worsening the products flatness.

The objects of the research were single-stack furnaces, 2-stand tempering mills and methods of physical & technical processing of cold rolled metal and tin plate by means of the mentioned equipment.

The following matters shall be defended:

dependence of bell-type furnace circulation fan productivity increase on impeller blade profile form;

method of optimization of geometric form of operating rolls of intercoil convector rings and support plates of guide vanes based on multifactorial planned experiment;

method of calculation of bell-type furnace nonstandard operation mode that enabled to ensure the possibility of medium temperature temper (artificial over ageing);

mathematical model of metal processing in bell-type furnaces enabling to reduce cycle time ensuring at the same time required level of mechanical properties of material;

equations connecting defects formation depending on roughness and quantity of peak points on working surfaces of back-up rolls at the 2nd stand of tempering mill and idling rolls located behind the stand as well as cycle of change of operating rolls location in the 1st stand of a mill.

Reliability of scientific results and outcomes are proved by researches fulfilled on the base of scientific notation and mathematic apparatus based on multifactorial planned experiment. All the analytically obtained dependencies have been tested and proved when doing the experiments by means of industrial equipment.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подписано в печать ХХ. ХХ. 2008 г. Формат 60´84 1/16.

Бумага офсетная. Печать Riso. Объем 1,2 п.л.

Тираж 100 экз. Заказ №ХХХХ

 

 

Издательский центр КазНТУ им. Сатпаева

г. Алматы, ул. Ладыгина 32.