Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

САРЫЧЕВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОДНОКАТАНЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в металлургии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Череповецкий Государственный Университет.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Виноградов Алексей Иванович

Официальные оппоненты: Горбунов Вячеслав Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Вологодский государственный технический университет, зав. кафедрой информационных систем и технологий Горшков Игорь Константинович кандидат технических наук, директор ООО Альпина Строй.

Ведущая организация: Институт металлургии и материаловедения им. А. А Байкова РАН

Защита диссертации состоится 21 декабря 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.02 при ФГБОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет по адресу: 162602, Вологодская обл., г. Череповец, пр. Луначарского, д. 5, ауд. 208.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ЧГУ.

Автореферат разослан 19 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К. А. Харахнин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Механические свойства металлов - это совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способности деформироваться. Одним из основных прочностных показателей, определяющих исходные параметры энергосилового и технологического расчетов процесса прокатки углеродистых сталей, является сопротивление пластической деформации.

При холодной прокатке металлов и сплавов в качестве сопротивления деформации используют условный предел текучести ( ), который в процессе обжатия увеличивается от исходного (недеформированного) состояния ( ) в 2-исх раза в результате наклепа. От величины зависит сила прокатки, а значит - прочность и жесткость прокатных валков, станин и других узлов рабочей клети.

Кроме того, от этой величины зависит мощность процесса прокатки, определяющая параметры главного привода прокатного стана.

Из-за характерных тенденций развития современного листопрокатного производства - роста суммарных обжатий на непрерывных станах и ужесточения допусков на показатели точности листов - возросла актуальность повышения точности прогноза энергосиловых и технологических параметров процессов листовой прокатки.

Исследования и разработки, выполненные в этом направлении в последние десятилетия, были посвящены совершенствованию математических моделей энергосиловых и технологических параметров. Наибольший вклад внесли работы ученых А. В. Третьякова, Г. К. Трофимова, М. К. Гурьяновой, Э. А. Гарбера, О. Н.

Тулупова, Э. В. Козлова, Н. А. Чиченева, Ма Фукан, Чжоу Энем и других. Но вопрос повышения точности определения исходного параметра - сопротивления деформации - в этих исследованиях и разработках не рассматривался.

Основной метод определения энергосиловых параметров процесса холодной прокатки стальных полос предполагает использование формулы А. В. Третьякова, позволяющей рассчитать условный предел текучести после i-го пропуска (, МПа) в зависимости от суммарного относительного обжатия полосы от исходного состояния до i-го пропуска (, %) и от марки стали или сплава.

Данный метод позволяет определить одним числом, без учета разброса значений этой величины, вызванных особенностями микроструктуры металла и ее изменениями на различных стадиях производства металла, что не позволяет делать достоверные и точные прогнозы изменения величины сопротивления деформации.

Микроструктура стали представляет собой совокупность большого количества зерен, отличающихся друг от друга по размеру, форме и пространственной ориентации. Характеристики микроструктуры (средние размеры зерен, коэффициенты их анизотропии, углы поворота зерен относительно оси прокатки) влияют на механические свойства листов, в том числе на условный предел текучести. Однако существующие методы и алгоритмы, учитывающие особенности микроструктуры металла при прогнозировании величины, слабо формализованы.

Нестабильность характеристик микроструктуры, вызванная колебаниями параметров технологии на различных стадиях производства стальных листов, приводит к разбросу значений их условного предела текучести, не учитываемому формулой А. В. Третьякова. Таким образом, существует проблема определения механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей с учетом геометрических параметров микроструктуры сталей. Создание метода и алгоритмов, его реализующих, для повышения точности и достоверности определения возможного диапазона колебаний значений механических характеристик сталей в каждой рабочей клети является актуальной научной задачей, решение которой даст возможность повысить точность результатов энергосилового расчета процесса холодной прокатки.

Цель работы:

повышение точности оценки механических свойств углеродистых сталей на основе применения статистических методов обработки информации о параметрах микроструктуры и ее изменениях в процессе холодной прокатки.

Задачи работы:

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) Анализ методов и средств определения изменений механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке на основе изменения параметров их микроструктуры.

2) Разработка математического обеспечения метода оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке листов.

3) Разработка алгоритмического обеспечения метода определения механических характеристик углеродистых сталей по параметрам микроструктуры.

4) Экспериментальные исследования метода и алгоритмов обработки информации в системе оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке листов.

Методы исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические основы металловедения и прокатного производства;

основы теории вероятностей; методы статистической обработки информации;

методы цифровой обработки информации; методы математического моделирования; основы теории построения алгоритмов.

Объект исследования: системы оценки механических характеристик углеродистых сталей при холодной пластической деформации.

Предметом исследования являются математические модели, методы, процедуры обработки информации в системе оценки механических свойств углеродистых сталей при холодной прокатке.

Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель оценки характеристик зеренной структуры углеродистых сталей после холодной прокатки, позволяющая по известным средним значениям геометрических параметров микроструктуры до деформации (размеру зерна, коэффициенту анизотропии формы зерна и углу отклонения продольной оси зерна от оси изделия ) определить соответствующие средние значения геометрических параметров, для микроструктуры холоднодеформированного металла.

2. Разработан метод определения основных механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке, отличающийся учтом геометрических параметров зренной структуры и возможностью определения доверительного интервала колебаний условного предела текучести стали при холодной прокатке.

3. Разработано полнофункциональное алгоритмическое обеспечение для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей, включающее следующие алгоритмы:

алгоритм оценки размера зерна микроструктуры при холодной деформации стали;

алгоритм оценки коэффициента анизотропии формы зерна микроструктуры при холодной деформации сталей;

алгоритм оценки угла отклонения продольной оси зерна микроструктуры от оси изделия при холодной деформации сталей;

алгоритм определения механических характеристик углеродистых сталей по параметрам микроструктуры;

алгоритм определения доверительных интервалов колебаний механических характеристик прокатываемых полос;

обобщенный алгоритм оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем.

Разработана методика определения доверительного интервала колебаний важнейшей механической характеристики - условного предела текучести прокатываемых полос, повышающая точность и достоверность определения технологических параметров процесса распределения между клетями обжатий и натяжений без перегрузок оборудования по усилиям и мощности прокатки.

Обоснованность и достоверность основных положений диссертации подтверждена сопоставлением результатов определения механических характеристик по разработанному методу с экспериментальными данными, в том числе - полученными другими авторами.

Достоверность алгоритмов оценки параметров микроструктуры металла подтверждена непосредственными измерениями размеров и коэффициента анизотропии зерен, выполненными на образцах холоднокатаных сталей.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО Череповецкий государственный университет с 2006 г. по 2012 г.

Экспериментальные исследования проводились в подразделении Развития технологии и продуктов (РТП) ОАО Северсталь.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы Проведение научных исследований коллективами научнообразовательных центров в интересах развития высокотехнологичных секторов экономики по государственному контракту № 14.740.11.0835 от 01.12.заключенному между Министерством образования и науки Российской Федерации и ФГБОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Седьмом конгрессе прокатчиков (Москва, 15-октября 2007 г.), на Третьей международной научно-технической конференции Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования (Вологда, 10-12 ноября 2007 г.), на Международной научно-технической конференции Теория и практика производства листового проката (Липецк, 29-30 мая 2008 г.), на VI Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, 17-ноября 2009 г.), на Всероссийском научном семинаре Научно-технический прогресс в металлургии в рамках Всероссийской научно-практической конференции Череповецкие научные чтения - 2010 (Череповец, 22-23 ноября 2010 г.), на научном семинаре кафедры ММТО ЧГУ (Череповец, 02.12.2011), на коллоквиуме Лаборатории пластической деформации ИМЕТ РАН им. А. А. Байкова. (Москва, 15.12.2011).

Публикации. По материалам диссертации издано 11 публикаций, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 81 наименование. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи исследования, представлены положения, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая ценность работы.

В первом разделе дана общая характеристика методов определения механических свойств углеродистых сталей. Рассмотрены основные геометрические параметры микроструктуры и их изменение в процессе холодной пластической деформации. Представлен обзор существующих математических моделей определения механических свойств металлов и сплавов по параметрам микроструктуры.

Основным геометрическим параметром микроструктуры металла является средний размер зерна, под которым понимают величину его среднего диаметра, определяемого формулой, где - продольный размер i-го зерна, - поперечный размер i-го зерна. Также для анализа микроструктуры используется коэффициент анизотропии формы зерна (отношение продольного размера зерна к поперечному) и угол отклонения продольной оси зерна от оси изделия (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения зерен:

- угол отклонения продольной оси i-го зерна от оси изделия Анализ литературных источников показал, что оценка механических характеристик металлов в абсолютном большинстве случаев осуществляется на основе средних значений одного из параметров микроструктуры (чаще - среднего размера зерна). Это приводит к снижению точности оценки механических характеристик углеродистых сталей.

Наиболее распространенной методикой расчета механических свойств сталей при холодной прокатке является методика Третьякова. Однако она не позволяет учитывать особенности различных структур сталей, получаемых при изменяющихся технологических условиях, вследствие чего средняя относительная погрешность определения основных механических характеристик новых марок сталей составляет более 12%.

На основании этого сделан вывод о необходимости создания усовершенствованного метода оценки механических свойств по параметрам микроструктуры углеродистых сталей на основе алгоритмов определения геометрических параметров зеренной структуры деформированного металла и обеспечивающего более высокую точность расчета.

Во втором разделе разработано математическое обеспечение метода оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей.

Разработана математическая модель оценки геометрических характеристик микроструктуры углеродистых сталей при холодной деформации, позволяющая по известным средним значениям характеристик исходной микроструктуры определить их средние значения и параметры законов распределения геометрических характеристик микроструктуры металла после деформации.

Исследовались образцы холоднокатаной стали 13Г1СУ. Измерения проводились на фотографиях продольных шлифов, сделанных при увеличении 500.

Для сбора данных использовалось 25 снимков шлифов. На каждой фотографии измерялось по 300 зерен. Были определены средние значения и законы распределения геометрических параметров. В результате обработки экспериментальных данных установлено, что величины размера зерна подчиняются нормальному закону распределения, коэффициенты анизотропии формы зерен - логарифмически нормальному, а угол отклонения продольной оси зерна от оси изделия распределен по закону Лапласа. Для этого с применением критерия согласия Пирсона с уровнем значимости были проверены соответствующие непараметрические статистические гипотезы. Установлено, что законы распределения геометрических параметров микроструктуры не зависят от степени деформации и е вида.

Модель оценки геометрических параметров микроструктуры металлов после холодной прокатки разработана при следующих допущениях:

1) При пластической деформации металла с обжатием до 70% зерна, из которых состоит его структура, не меняют свой объем.

2) Относительная деформация образца равна относительной деформации зерна, имеющего средние размеры.

На основании указанных допущений получены выражения, связывающие средние значения геометрических параметров исходной и деформированной микроструктур. Кроме того, проведенные исследования позволили определить основные параметры законов распределения случайных величин: размера зерна, коэффициента анизотропии формы зерна, угла отклонения оси зерна, позволяющие создать модель оценки геометрических параметров микроструктуры после холодной прокатки. Данная модель может быть представлена в виде последовательности следующих шагов:

1. Проведение статистического исследования структуры исходного материала (до деформации); определение среднего размера зерна (мкм), среднего коэффициента анизотропии формы зерна (б/р), среднего значения угла отклонения продольной оси зерна от оси изделия (град);

2. Определение средних значений геометрических параметров зерна после холодной деформации:

- средний размер зерна металла после деформации,(мкм) - по формуле (1):

, (1) - средний коэффициент анизотропии формы зерна после деформации, (б/р) - по формуле (2):

(2) - средний угол отклонения продольной оси зерна металла от оси изделия после деформации, (град) - по формуле (3):

, (3) где,.

3. Определение параметров статистического распределения геометрических характеристик зерен после деформации:

для размеров зерен рассчитываются параметры нормального распределения (математическое ожидание размера зерна), (среднее квадратическое отклонение) по формулам (4):

, ; (4) для коэффициентов анизотропии - параметры и логарифмически нормального распределения по формулам (5):

, ; (5) для углов отклонения - параметры и распределения Лапласа по формулам (6):

,. (6) 4. Построение функций плотности распределения указанных характеристик:

для размеров зерен по формуле (7):

, (7) для коэффициентов анизотропии формы зерна по формуле (8):

, (8) для углов отклонения продольной оси зерна от оси изделия по формуле (9):

. (9) Также во втором разделе разработан новый метод определения механических характеристик углеродистых сталей, отличием которого является использование для расчетов относительного геометрического показателя - коэффициента анизотропии формы зерна.

Для определения сопротивления деформации была использована эмпирическая формула А. В. Третьякова для определения условного предела текучести сталей после холодной прокатки:

, (10) где - условный предел текучести после i-го пропуска, МПа;

- суммарное относительное обжатие полосы от исходного состояния до iго пропуска, %;

(МПа) и (б/разм) - эмпирические величины, зависящие от марки стали или сплава, имеющиеся в справочниках.

Используя выражение (2) и эмпирическую формулу А. В. Третьякова (10), получили модифицированную формулу для расчета условного предела текучести, в которой величина непосредственно зависит от исходного и конечного средних значений коэффициентов анизотропии формы зерен:

. (11) Согласно формуле (11), приращение условного предела текучести равно:

. (12) Получено неравенство (13), позволяющее определить доверительный интервал значения условного предела текучести материала после холодной деформации:

, (13) где и минимальное и максимальное из возможных значений :

, ;

и - границы доверительного интервала параметра :

; ;

и вычисляются по формулам (5);

- принятое значение доверительной вероятности;

- коэффициенты Стьюдента, которые находят по таблице критических точек распределения Стьюдента;

- число измеренных зерен микроструктуры.

Аналогично могут быть определены оценки предела прочности и твердости холоднокатаной углеродистой стали:

,.

Данный метод является усовершенствованным, так как при расчете механических характеристик сталей он учитывает не только суммарное относительное обжатие (оно учитывается косвенно, так как, является функцией и ), но и изменение при пластической деформации анизотропии зерен - через коэффициенты и.

Кроме того, метод повышает точность определения технологических параметров процесса прокатки - распределения между клетями обжатий и натяжений без перегрузок оборудования по усилиям и мощности прокатки.

Применение предложенного метода позволяет расширить возможности определения механических характеристик, повысить достоверность энергосиловых и технологических расчетов при холодной прокатке.

В третьем разделе разработано алгоритмическое обеспечение метода определения механических свойств по параметрам микроструктуры.

Построены алгоритмы оценки размера зерна микроструктуры, оценки коэффициента анизотропии формы зерна, оценки угла отклонения продольной оси зерна микроструктуры от оси изделия при холодной деформации сталей, позволяющие определить размер зерна микроструктуры (ее бальность), форму и ориентацию зерен готового холоднокатаного листового проката.

Получены алгоритмы определения механических свойств углеродистых сталей по параметрам микроструктуры, определения доверительных интервалов колебаний механических характеристик прокатываемых полос, позволяющие определить средние значения и доверительные интервалы колебаний механических характеристик прокатываемых полос: условного предела текучести деформированного металла, МПа; временного сопротивления, МПа, твердости, МПа. Полученные алгоритмы представлены в виде блок-схем.

Из указанных алгоритмов наиболее важным является алгоритм определения доверительных интервалов колебаний механических характеристик прокатываемых полос, который сформулирован следующим образом:

1. Измерение продольных и поперечных осей зерен микроструктуры исходного материала (до деформации); измерение исходных значений предела текучести, МПа, предела прочности, МПа, твердости, МПа.

2. Вычисление среднего коэффициента анизотропии формы зерна исходной микроструктуры (б/р).

3. Вычисление среднего коэффициента анизотропии формы зерна деформированной стали (б/р).

4. Вычисление параметров логарифмически нормального распределения и.

5. Определение границ доверительного интервала параметра.

6. Вычисление наименьшего и наибольшего возможных значений коэффициента анизотропии формы зерна холоднодеформированного металла.

7. Вычисление механических характеристик деформированного металла:

условного предела текучести деформированного металла, МПа; временного сопротивления, МПа, твердости, МПа.

8. Вычисление наименьших и наибольших значений условного предела текучести, предела прочности и твердости углеродистой стали после холодной прокатки.

Также разработан обобщенный алгоритм оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей. Он представлен в виде последовательности следующих шагов:

1. Измерение продольных и поперечных осей зерен микроструктуры исходного материала (до деформации); измерение исходных значений предела текучести, МПа, предела прочности, МПа, твердости, МПа.

2. Применение алгоритма оценки размера зерна микроструктуры при холодной деформации углеродистых сталей. Вычисление среднего размера зерна микроструктуры деформированной стали (мкм). Если полученное значение не удовлетворяет требованиям нормативной документации, изменить входные данные (режим обжатия, суммарное относительное обжатие).

3. Если полученное значение удовлетворяет требованиям НТД, применить алгоритм оценки коэффициента анизотропии формы зерна микроструктуры и алгоритм оценки угла отклонения продольной оси зерна от оси изделия при холодной деформации углеродистых сталей. Найти и.

4. Применение алгоритма определения доверительного интервала колебаний механических характеристик прокатываемых полос, найти и, и, и. Если полученные интервалы не удовлетворяет НТД, изменить варьируемые параметры технологического процесса холодной листовой прокатки ( i, A, b, B,, C,,).

Блок-схема обобщенного алгоритма оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей представлена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема обобщенного алгоритма оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей Полученные алгоритмы позволяют оценивать изменения геометрических параметров микроструктуры углеродистой стали при холодной прокатке, а также определять ее основные механические свойства, в частности, условный предел текучести, предел прочности и твердость. Кроме того алгоритмы позволяют определить доверительные интервалы колебаний механических характеристик углеродистых сталей, определить ресурсные возможности исследуемой технологии холодной прокатки углеродистых сталей, сформировать критерии оценки механических свойств для конкретной марки стали и реализовать выбор оптимальных технологических параметров.

В четвертом разделе приведены основные функциональные элементы и блоки системы обработки информации для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей, приведены результаты экспериментальной проверки разработанного метода.

Функциональная схема системы сбора и обработки информации для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей, представленная на рис. 3, включает:

блок получения и обработки изображений микроструктуры, представлен металлографическими микроскопами (1), технологиями обработки поверхностей металлов и программным обеспечением обработки изображений на базе промышленного компьютера (2) блок сбора информации о параметрах технологического процесса прокатки (стан холодной листовой прокатки, система САРТиН (4));

блок получения и обработки информации о химическом составе и свойствах стали (5), представленный базой данных о химическом составе сталей, блок сбора информации о механических характеристиках горячекатаного подката (разрывные и универсальные машины, твердомеры), база данных механических свойств подката (6);

блок вычисления геометрических параметров микроструктуры холоднокатаной листовой стали (3); блок вычисления механических характеристик холоднокатаной углеродистой стали и анализа полученных результатов (7) (выполняет обобщенный алгоритм оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей, может быть программно реализован);

блок отображения результата. (8). Может быть реализован программно (интерфейсная часть программы).

5. База данных о 6. База данных химическом Требования НТД механических составе свойств г/к стали 1. Микроскоп стали 3. Блок вычисления 7. Блок вычисления 2. ПО обработки геометрических механических изображений параметров характеристик х/к стали микроструктуры х/к стали ИТ -измерители толщины 4. САРТиН СУиВ ИС - измерители усилия прокатки ИН - измерители натяжений РС - регуляторы усилия прокатки СУ ГНУ - система управления гидронажимными ИТ ИН ИС АСУ стана устройствами САРТиН -система автоматического регулирования СУРС толщины и натяжения СУРС - система управления скоростным режимом стана СУиВ - система управления и визуализации АСУ стана - система автоматизированного СУ управления стана РС ГНУ Рис.3. Функциональная схема системы обработки информации для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей Для проверки математической модели оценки геометрических параметров микроструктуры сталей после холодной прокатки исследовались образцы из холоднокатаной листовой стали 08Ю и образцы заготовки для е производства.

Обжатие при этом составляло 70%.

В результате прямых геометрических измерений зерен на фотографиях шлифов заготовки из стали 08Ю были определены исходные характеристики для статистического анализа структуры металла: - продольный размер i-го зерна, - поперечный размер i-го зерна, - угол отклонения продольной оси i-го зерна от оси изделия. Затем по формулам и вычислены средний размер i-го зерна и средний коэффициент анизотропии формы i-го зерна.

Аналогичным методом были определены характеристики микроструктуры стали 08Ю после деформации: - продольный размер i-го зерна, - поперечный размер i-го зерна, - угол отклонения продольной оси i-го зерна от оси изделия.

Далее вычислены средние значения этих геометрических параметров:,,,,, для измеренных зерен.

Используя алгоритмы, предложенные в разделе 3, вычислены средние значения геометрических параметров микроструктуры стали 08Ю после холодной прокатки.

Обработанные результаты измерений средних значений геометрических параметров исходной и конечной зеренной структуры стали 08Ю сравнивались с рассчитанными значениями этих параметров. Результаты измерений и расчетов приведены в табл. 1.

При расчете погрешности угла отклонения был определен доверительный интервал, в который с заданной надежностью попадает среднее значение этого параметра. Для расчета использована формула для вычисления точности оценки измеренной величины:

, где - искомая точность, - исправленная дисперсия, - объем выборки, - функция Лапласа. С вероятностью точность измеренного значения равна:. Таким образом, доверительный интервал и вычисленное значение попадает в него.

Таблица Измеренные и вычисленные средние значения геометрических параметров микроструктуры холоднокатаной стали 08Ю и заготовки для е изготовления Единицы Исходное Конечное значение Погрешность Параметр измерения значение параметра % параметра Измеренное Вычисленное Средний размер мкм 1, =47,3 =зерна Средний б/разм 1,коэффициент анизотропии формы зерна Средний угол град отклонения продольной оси зерна от оси изделия Далее по вычисленным значениям геометрических параметров микроструктуры были определены параметры статистических распределений геометрических характеристик зерен после деформации и найдены функции плотности распределения указанных характеристик, согласно выявленному закону распределения. Результаты расчетов сравнивались с результатами, полученными по экспериментальным данным (табл. 2).

Таблица Вычисленные параметры статистических распределений геометрических характеристик зерен стали 08Ю после деформации и их оценки Геометрический Коэффициент Угол отклонения параметр Размер зерна анизотропии продольной оси микроструктуры формы зерна зерна от оси изделия Закон распределения Нормальный Логарифмически Распределение по нормальный закону Лапласа Расчетные значения параметров Экспериментальные значения параметров Таким образом, отличия между вычисленными и измеренными значениями геометрических параметров микроструктуры относительно невелики и предложенная модель может быть использована для оценки геометрических параметров структуры стали после холодной прокатки.

Дополнительно был проверен алгоритм оценки величины коэффициента анизотропии формы зерна при холодной прокатке сталей широкого марочного сортамента. Для этого сравнивали экспериментальные значения коэффициента анизотропии формы зерна металла, полученные из литературных источников, и значения, вычисленные с помощью предложенного алгоритма. Результаты исследований представлены на рис.4.

Рис.4. Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициента анизотропии зеренной структуры различных сталей для степеней деформации 2060% Исследования показали, что для сталей широкого марочного сортамента данная методика позволяет рассчитать коэффициент анизотропии формы зерна со средней погрешностью, не превышающей 6%.

Таким образом, проверка модели оценки геометрических параметров микроструктуры сталей после холодной прокатки показала е достоверность для всех геометрических параметров микроструктуры.

Для проверки метода оценки механических свойств углеродистых сталей исследованию подвергалась структура горячекатаного подката для производства автомобильной стали 08Ю на станах холодной прокатки ОАО Северсталь и структура готового холоднокатаного листа, полученного из этого подката.

Геометрические параметры структуры исходного горячекатаного подката были определены методом прямых геометрических измерений. Установлены средние значения размера зерна до деформации и коэффициента анизотропии формы зерен до деформации:

Затем из базы данных ОАО Северсталь были взяты технологические режимы обработки стали 08Ю с различными суммарными относительными обжатиями ( ), а также экспериментальные значения приращения предела текучести этой стали для каждого обжатия.

По формуле (2) рассчитаны средние значения коэффициента анизотропии формы зерна готового металла после холодной прокатки. Далее с использованием формулы (12) определены расчетные значения приращения пределов текучести.

При этом коэффициент принят равным, а, согласно рекомендациям справочников. Результаты вычислений и экспериментальные значения приращения предела текучести представлены в табл. 3.

Таблица Расчетные и экспериментальные значения приращения предела текучести холоднокатаной стали 08Ю, МПа Обжатие, Эксперимент Расчет Погрешность, % 0,33 2,7313 395 412,46 4,0,36 2,9063 460 430,05 6,0,37 2,9683 455 435,74 4,0,38 3,0323 445 441,35 0,0,38 3,0323 425 441,35 3,0,41 3,2373 440 457,75 4,0,41 3,2373 450 457,75 1,0,43 3,3860 430 468,33 8,0,48 3,8077 520 493,73 5,На рис.5 представлена графическая интерпретация полученных результатов.

На нем показана кривая, построенная по формуле (12), которая определяет приращение условного предела текучести стали, как функцию коэффициента анизотропии формы зерна деформированного металла, и экспериментальные точки, полученные из базы технологических параметров пятиклетевого стана 1700 ОАО Северсталь.

Рис. 5. Приращение условного предела текучести в зависимости от 0,2i коэффициента анизотропии холоднодеформированной стали 08Ю kк Сравнение результатов расчета и экспериментальных значений свидетельствует о достоверности разработанного метода определения механических характеристик изделия по параметрам микроструктуры стали.

Погрешность расчета приращения условного предела текучести не превосходит 9%, а в среднем погрешность составляет 4,39%.

По указанным выше данным были определены интервалы, в которые попадают средние значения приращения предела текучести стали после холодной прокатки. Полученные интервалы сопоставлялись с экспериментальными значениями. В табл. 4 для различных обжатий представлены 0,2i экспериментальные значения приращения предела текучести стали 08Ю, взятые из базы данных ОАО Северсталь, и вычисленные с доверительной вероятностью 0,999по формуле (13) интервалы, в которые попадают средние значения приращения предела текучести стали после холодной прокатки.

Таблица Расчетные интервалы и экспериментальные значения приращения предела текучести холоднокатаной стали 08Ю Эксперименталь Доверительный интервал ное значение для 0,2i 0,2iпри надежности Обжатие,, 0,9 МПа 0,33 395 (393,7; 448,5) 0,36 460 (412; 465,7) 0,37 455 (417,9; 471,2) 0,38 425 (423,7; 476,7) 0,38 445 (423,7; 476,7) 0,41 450 (440,7; 492,6) 0,41 440 (440,7; 492,6) 0,48 520 (478,1; 527,1) Таким образом, исследования влияния геометрических параметров микроструктуры на механические свойства автомобильной стали 08Ю, проведенные с использованием базы технологических параметров пятиклетевого стана холодной прокатки 1700 ОАО Северсталь показали, что разработанный метод определения механических свойств по среднему значению коэффициента анизотропии формы зерна и определения разброса механических характеристик является достоверным, отклонения расчетных и экспериментальных значений составили в среднем около 5%.

Метод оценки механических свойств холоднокатаных углеродистых сталей был применен для исследования сталей SAE1015 и CHES950. В этом случае средняя относительная погрешность составила 1,5-3,2 % для условного предела текучести и 6,5-8,5 % для предела прочности, что также является более точным результатом, по сравнению с методом Третьякова, используемым в настоящее время.

Условный предел текучести входит в число конструктивных и технологических параметров, которые служат исходными данными для энергосилового расчета процесса холодной прокатки. Основными энергосиловыми параметрами, подлежащими определению, являются усилие прокатки и мощность прокатки. Используя максимальное расчетное значение условного предела текучести, учитывающее анизотропию структуры и свойств деформируемого металла, можно определить максимальные значения усилия и мощности прокатки в каждой клети стана.

С использованием упругопластической модели очага деформации, разработанной кафедрой ММТО ЧГУ, был проведен расчет усилия и мощности процесса холодной прокатки стали 08пс на четырехклетевом стане л1700 ОАО Северсталь. Величины и определялись с учетом условного предела текучести по формуле (10), а также рассчитывались c учетом наибольшего возможного значения условного предела текучести.

В результате сделан вывод о том, что учет анизотропии зерен при холодной прокатке дает поправку в сторону увеличения в 3 % к определению усилия прокатки, и 2 % к определению мощности прокатки. Эти уточнения являются существенными при конструкторских и технологических расчетах.

Таким образом, расчет энергосиловых параметров с использованием усовершенствованной модели расчета условного предела текучести определяет максимальные усилия прокатки и мощности, действующие по клетям стана. Это позволяет точнее осуществлять расчеты прокатных валков, станин и других узлов рабочих клетей и приводов, избежать перегрузок оборудования по механическим нагрузкам и мощности.

Обобщенные результаты достигнутых показателей приведены на рис. 6.

Рис. 6. Обобщенные результаты оценки эффективности применения метода определения механических характеристик углеродистых сталей В заключении сформулированы основные выводы и результаты.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Разработана математическая модель оценки характеристик зеренной структуры углеродистых сталей после холодной прокатки, позволяющая по известным средним значениям геометрических параметров микроструктуры до деформации (размеру зерна, коэффициенту анизотропии формы зерна и углу отклонения продольной оси зерна от оси изделия), определить соответствующие средние значения геометрических параметров для микроструктуры холоднодеформированного металла.

2. Разработан метод определения механических характеристик углеродистых сталей при холодной прокатке, отличающийся учтом геометрических параметров зренной структуры и возможностью определения доверительного интервала колебаний этих характеристик при холодной прокатке. Проведенные исследования показали, что отклонения рассчитанных и реальных производственных данных составляют в среднем не более 5%.

3. Разработано полнофункциональное алгоритмическое обеспечение для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталей.

4. Поставленная цель достигнута. Точность оценки механических свойств углеродистых сталей на основе применения статистических методов обработки информации о параметрах микроструктуры и ее изменениях в процессе холодной прокатки в 1,5-2 раза превышает точность расчета основных механических характеристик по формулам Третьякова для новых марок сталей. Погрешность оценки механических свойств углеродистых сталей снижена с 12 % до 5-8 %.

Список публикаций по теме диссертации по перечню ВАК:

1. Виноградов, А. И. К вопросу о трансформации зеренной структуры металла при пластическом деформировании [Текст] / А. И. Виноградов, А. И. Трайно, И. А.

Сарычева // Металлы. - 2009. - №2 - с. 54-60.

2. Виноградов, А. И., К вопросу об изменении ориентации зеренной структуры металла при холодной пластической деформации [Текст] / А. И. Виноградов, И. А.

Сарычева // Вестник ЧГУ. - 2010. - № 1 - с. 123 - 126.

3. Виноградов, А. И. Влияние анизотропии формы зерна на изменение предела текучести металла при холодной прокатке [Текст] / А. И. Виноградов, Э. А.

Гарбер, И. А. Сарычева // Производство проката. - 2011. - №6 - с. 10-15.

4. Виноградов, А. И. Совершенствование метода определения сопротивления деформации металла при холодной прокатке путем учета анизотропии формы зерен его структуры [Текст] / А. И. Виноградов, Э. А. Гарбер, И. А. Сарычева // Вестник ЧГУ.

- 2011. - №2, т. 1 - с. 6-12.

в прочих изданиях:

5. Виноградов, А. И. Анализ геометрических моделей изменения структуры металлов при различных способах их пластической обработки [Текст] / А. И.

Виноградов, И. А. Сарычева // Вестник ЧГУ. - 2007. - №3 - с. 14-21.

6. Виноградов, А. И. Матричная модель изменения микроструктуры металла при его пластической обработке [Текст] / А. И. Виноградов, И. А. Сарычева // Труды седьмого конгресса прокатчиков. Т.1. - Москва, 2007. - с. 473-477.

7. Сарычева, И. А. Матричная модель изменения структуры деформируемого металла [Текст] / И. А. Сарычева, А. И. Виноградов // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования. Материалы третьей международной научнотехнической конференции. Т.1. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - с. 66-70.

8. Виноградов, А. И. Разработка методики анализа изменений зеренной структуры металла на основе статистических методов обработки данных [Текст] / А.

И. Виноградов, И. А. Сарычева // Теория и практика производства листового проката:

Сб. научн. Тр. Часть 1. - Липецк, 2008. - с. 236-243.

9. A. I. Vinogradov,A. I. Traino, I. A. Sarycheva. Transformation of the Grain Structure in a Metal during Plastic Deformation. // Russian Metallurgy (Metally). Vol. 2009, № 2, pp. 140-145.

10. Сарычева, И. А. Анализ коэффициентов анизотропии зерен металла, подвергшегося волочению, на основе статистических методов обработки данных [Текст] / VI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов. Москва 17-19 ноября 2009. Сборник статей под редакцией академика РАН Ю.В. Цветкова и др. - М.: Интерконтакт Наука. -2009, 570 с.- с. 173-177.

11. Сарычева, И. А. Влияние геометрических параметров микроструктуры металла на его механические свойства [Текст] / И. А. Сарычева, А. И. Виноградов // Всероссийский научный семинар Научно-технический прогресс в металлургии в рамках всероссийской научно-практической конференции Череповецкие научные чтения - 2010 (22-23 ноября 2010 г.): Сборник статей / Отв. Ред. Э. А. Гарбер. - Череповец: ЧГУ, 2011. - с. 100-107.

ицензия А № 165724 от 11 апреля 2006 г.

Подписано к печати 15.11.12 г. Тир.100.

Усл. печ. л. 1. Формат 60 841/16. Зак.120.

ФГБОУ ВПО Череповецкий государственный университет 162600 г. Череповец, М. Горького, Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям