Развитие научных основ и разработка совмещенных методов обработки металлов давлением, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов
| Вид материала | Автореферат |
- Лекция 10. Основные способы обработки металлов давлением, их характеристика. Прокатка, 117.37kb.
- Обработка металлов давлением при обработке металлов давлением, 131.9kb.
- Математическое моделирование процессов в тепловых микросенсорах, 21.43kb.
- Образовательная программа направление подготовки 150200 «Машиностроительные технологии, 801.48kb.
- Научные основы и технологические способы обработки гетерофазных сплавов с высоким уровнем, 572.64kb.
- Доклад Целью данной работы является разработка моделей и средств формализованного представления, 57.62kb.
- Исходные, 2439.44kb.
- Секция “Краевые задачи в физике и химии твердого тела”, 31.36kb.
- Методические материалы по обучению учащихся основам энергоэффективности, 149.23kb.
- Формирование Основных Требований к обработке материальных и информационных потоков., 12.48kb.
На правах рукописи
Фастыковский Андрей Ростиславович
Развитие научных основ и разработка совмещенных
методов обработки металлов давлением, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов
Специальность 05.16.05 – Обработка металлов давлением
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Новокузнецк, 2011
Работа выполнена на кафедре «Обработка металлов давлением и металловедение» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ).
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Перетятько Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Песин Александр Моисеевич
доктор технических наук, профессор
Беляев Сергей Владимирович
доктор технических наук, доцент
Базайкин Владимир Ильич
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО “Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана”
Защита состоится «28» февраля 2012 г. в 10 часов в аудитории 3п на заседании диссертационного совета Д212.252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова 42, факс: (3843) 465792; e-mail: ds21225201@sibsiu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Автореферат разослан « » 2011г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д212.252.01 Нохрина О.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы: Одной из приоритетных задач, стоящих перед черной металлургией, является повышение эффективности производства за счет разработки и внедрения новых технологий.
В системе рыночных отношений большое значение уделяется вопросам снижения материальных и энергетических затрат, повышения технологической гибкости, улучшения качества готовой продукции и расширения сортамента, что в конечном счете повышает конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках.
Одним из путей комплексного решения указанных проблем при производстве прокатной продукции является разработка совмещенных методов обработки металлов давлением (ОМД), более полно использующих возможность сил трения в очаге деформации при прокатке. Термин “совмещение” подразумевает, помимо основных, выполнение дополнительных функций за счет использования скрытых возможностей. Таким образом, совмещенные методы ОМД, благодаря более полному использованию сил трения в очаге деформации прокатной клети, выполняют дополнительные операции, такие как деформирование в неприводной клети, продольное разделение неприводным делительным инструментом, деформирование через матрицу, обеспечение работы системы очаг деформации – валковая арматура. На необходимость изучения вопроса использования возможностей сил трения для снижения материальных и энергетических затрат процесса прокатки указывали А.И. Целиков, И.М. Павлов, А.П. Чекмарев, В.Н. Выдрин и другие видные ученые, относя эту проблему к ключевым вопросам обработки металлов давлением. В последнее время в работах С.М. Жучкова, А.П. Лохматова, Н.Н. Довженко, С.Б. Сидельникова, С.В. Беляева и др. наметились возможные пути решения этой важной проблемы. Однако в материалах по данному направлению отсутствует системный подход в разработке рациональных технологических режимов, не достаточно изучена перспективность и область возможного использования приема перевода реактивных сил трения в активное состояние при совмещении методов ОМД. Остаются без ответа такие важные вопросы, относящиеся к научным основам, как связь степени использования активных и реактивных сил трения с распределением зон скольжения и прилипания в очаге деформации при прокатке; разработка методик количественной оценки величины продольной силы, обеспеченной переводом реактивных сил трения в активное состояние; методика расчета основных технологических параметров. Отсутствие математических моделей совмещенных методов ОМД затрудняет определение области осуществимости, выбор эффективных с точки зрения экономии материальных и энергетических затрат режимов деформирования, расчет технологического оборудования. Многие нерешенные технические и технологические вопросы сужают область использования совмещенных методов ОМД, затрудняют их внедрение в производство. Из выше приведенных аргументов можно сделать следующее заключение, что создание методик, математических и компьютерных моделей для оптимизации режимов деформирования, расчетов технологических параметров, разработка комплекса технических и технологических решений для управления, совершенствования и расширения возможностей совмещенных методов ОМД являются своевременными и актуальными.
Работа выполнена в соответствии с Государственной программой “Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу” от 30 марта 2002 г. и перечнем “критических технологий Российской Федерации”, разделы “Технологические совмещаемые модули для металлургических мини-производств”, “Компьютерное моделирование”, Федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы” от 6 июля 2006 г., разделы “Технологии производства программного обеспечения”, “Технологии создания и обработки кристаллических материалов”, а также согласно планам госбюджетных и хоздоговорных работ ФБГОУ ВПО “Сибирский государственный индустриальный университет.”
Цель диссертационной работы:
Развитие научных основ совмещенных методов обработки металлов давлением и разработка комплекса технических и технологических решений, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов.
Основные задачи:
- Научное обоснование использования продольной силы, являющейся следствием перевода реактивных сил трения в активное состояние, при совмещении методов ОМД.
- Развитие научных основ совмещенных методов ОМД, включающих теоретически и экспериментально обоснованные зависимости для определения продольной силы, протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации, математическую и компьютерную модель для расчета энергосиловых параметров процессов горячей прокатки и совмещенных методов ОМД.
- Разработка теоретически и экспериментально обоснованных математических и компьютерных моделей совмещенных методов ОМД: прокатка в приводной – неприводной клети, прокатка-разделение неприводным делительным инструментом, прокатка-прессование, работа системы очаг деформации – валковая арматура, позволяющих оценить область осуществимости, найти эффективные с точки зрения экономии материальных и энергетических ресурсов условия деформирования.
- Расширение области использования методов прокатки в приводной-неприводной клети, прокатки – разделения неприводным инструментом за счет разработки новых технических и технологических решений, снимающих ограничение по использованию рассматриваемых методов ОМД только в непрерывных группах клетей и определить условия, при которых решения реализуются.
- Совершенствование совмещенных методов ОМД, разработка новых технических и технологических решений, технологий, обеспечивающих снижение материальных и энергетических затрат.
- Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований по совмещенным методам ОМД в практику производства.
Методы исследований: При исследованиях использовались методы тензометрии с элементами сбора и обработки информации на компьютере по программе Power Graph 2.1, методы теории подобия и моделирования процессов ОМД, метод математического планирования эксперимента, методы компьютерного моделирования, современные компьютерные технологии исследования и мониторинга промышленных процессов, уникальные методики разработанные автором (а.с. № 1180097, № 1233971).
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждаются большим объемом экспериментального материала, полученного в лабораторных и промышленных условиях с применением современных методик, корректным использованием современных математических методов; согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных результатов и зависимостей; адекватностью разработанных математических и компьютерных моделей; применением современных методов статистической обработки результатов; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; эффективностью предложенных технических и технологических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производство. Достоверность и новизна технических решений подтверждена свидетельствами на изобретения и патентами.
Научная новизна работы заключается:
– научно обосновано использование продольной силы при совмещении методов ОМД и предложены зависимости для ее определения, отличающиеся учетом формы калибра. Установлена связь продольной силы с зональностью в очаге деформации и получены, отсутствующие в литературе теоретические зависимости, позволяющие определять протяженность зон на контакте при обычном процессе прокатки и при совмещении методов ОМД;
– уточнена и оформленная в компьютерную программу (свидетельство на программу для ЭВМ № 2007610475) методика А.И. Целикова для расчета энергосиловых параметров обычных процессов горячей прокатки и совмещенных методов ОМД, что стало возможным благодаря учету протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации;
– впервые теоретически обоснована и подтверждена экспериментально возможность деформирования в неприводных валках и продольного разделения неприводным инструментом вне непрерывных групп клетей за счет использования энергии движущейся полосы, получены зависимости для определения условий реализации решения и места расположения неприводного инструмента;
– разработана математическая и компьютерная модели (свидетельство на программу для ЭВМ № 20066112893) для определения области осуществимости прокатки в приводной - неприводной клети, поиска эффективных условий деформирования, расчета силовых параметров, выбора рациональной компоновки оборудования, базирующиеся на полученных зависимостях по определению допустимого расстояния, обеспечивающего продольную устойчивость, определения условий при которых процесс может быть реализован вне непрерывных групп клетей, продольного усилия, необходимого при деформировании в двух неприводных и многовалковых неприводных калибрах, отличающиеся учетом условий деформирования, конструктивной особенностью калибров;
– разработана математическая модель прокатки – разделения неприводным делительным инструментом, позволяющая оценить область осуществимости, найти эффективные с точки зрения экономии материальных и энергетических ресурсов режимы деформирования. Математическая модель основана на полученных зависимостях для определения продольной силы, обеспеченной калибрами, формирующими сочлененный профиль, продольного усилия необходимого при разделении неприводным инструментом одним из известных способов (передавливание, разрыв, резание), допустимого расстояния, обеспечивающего продольную устойчивость при разделении и условий при которых возможно разделение вне неприводных групп клетей;
– разработана математическая модель с целью определения области осуществимости процесса прокатки – прессования, поиска энергоэффективных режимов деформирования и рациональной компоновки оборудования, отличающаяся учетом конструктивных особенностей калибров, места размещения матрицы относительно линии, соединяющей центры валков, возможностью определения максимального коэффициента вытяжки в системе валок-матрица. Установлено, что при реализации процесса прокатки – прессования в каждом конкретном случае есть вполне определенное место размещения матрицы, обеспечивающее максимальный коэффициент вытяжки при минимальных затратах энергии, определить которое можно с использованием разработанной математической модели;
– впервые предложены научно обоснованные критерии работоспособности системы очаг деформации – валковая арматура и методика их количественной оценки, учитывающая конструктивные особенности валковой арматуры, ее размещение относительно бочки валка, решаемые в процессе работы задачи.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
– разработаны режимы технологии получения сортовых профилей с применением неприводных клетей, предложена новая технология бескалибровой прокатки с промежуточными неприводными клетями, приведены рекомендации по применению неприводных клетей для совершенствования технологии литья-прокатки, все это стало возможным благодаря использованию математической модели прокатки в приводной – неприводной клети, реализованной в компьютерной программе (свидетельство на программу для ЭВМ № 20066112893);
– предложены новые методики и устройства (а.с. № 1180097, № 1233971) для исследования протяженности зон на контактной поверхности в очаге деформации, позволяющие расширить область знаний по протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации при прокатке;
– разработан комплекс технических решений (а.с. № 1375369, пат. № 2185903, пат. № 2221653), расширяющий область практического использования методов прокатки в приводной – неприводной клети, прокатки – разделения неприводным инструментом, что стало возможным благодаря использованию зависимостей для определения условий деформирования и места положения неприводного инструмента вне непрерывных групп клетей;
– на основании экспериментальных исследований с использованием математической модели совмещенного метода прокатки-разделения неприводным инструментом разработана новая технология, позволяющая снизить материальные и энергетические затраты, улучшить качество готовой продукции, основанная на использовании принципа разделения сочлененной заготовки резанием в потоке стана (пат. № 2201819);
– разработаны рекомендации по энергоэффективному ведению процесса, рациональной компоновки оборудования, запатентован комплекс новых устройств (а.с. № 1194578, № 1450214, № 1690882, № 1669603), с использованием, которых предложена новая технология получения штрипсовой ленты под порошковую проволоку из сортовой заготовки, разработаны рекомендации для совершенствования технологии литья-прессования, все это стало возможным при использовании экспериментальных данных и математической модели прокатки-прессования;
– разработана методика оценки вероятности инцидентов в системе очаг деформации – валковая арматура, основанная на использовании зависимостей по определению продольной силы и критериев работоспособности рассматриваемой системы, позволяющая уменьшить материальные затраты за счет сокращения времени непредвиденных простоев и брака;
– разработана компьютерная программа (свидетельство на программу для ЭВМ № 2007610475), позволяющая осуществлять инженерные и исследовательские расчеты энергосиловых параметров горячей прокатки, оперативно без значительных материальных затрат определить оптимальные, с точки зрения энергозатрат и рациональной загрузки оборудования режимы деформирования.
Реализация результатов работы заключается в следующем:
– при внедрении технологии прокатки-разделения неприводным делительным инструментом в условиях непрерывного мелкосортного стана 250-1 сортопрокатного цеха ОАО “ЗСМК” с использованием разработанных методик, математической модели определена область осуществимости процесса, установлены предельные значения коэффициента вытяжки в 15 клети, формирующей сочлененный профиль, допустимая толщина перемычки, компоновка оборудования, обеспечивающая продольную устойчивость, решения по технологии ведения процесса защищены патентом № 237938; разработана новая конструкция делительного инструмента, защищенная патентом на полезную модель № 53597. Это позволило на арматурных профилях №10, №12, №14 снизить в среднем энергозатраты на 23 кВт∙ч/т, за счет повышения производительности на 31 % снизить материальные затраты, освоить в условиях непрерывного мелкосортного стана 250-1 новый профиль – арматуру №8. Годовой экономический эффект (в ценах 2010 года) составил 43,6 млн. руб., долевая часть 8,7 млн. руб. в год;
–внедрена в промышленности на непрерывных мелкосортных станах 250-1, 250-2, проволочном стане 250, входящих в состав сортопрокатного цеха ОАО “ЗСМК”, и станах 500, 450 цеха сортового проката ОАО “НКМК”, разработанная методика оценки вероятности инцидентов в системе очаг деформации – валковая арматура, что позволило снизить материальные затраты и получить годовой экономический эффект (в ценах 2004 года) по ОАО “ЗСМК” 374 тыс. рублей, по ОАО “НКМК” (в ценах 2005 года) 505 тыс. рублей в год;
– в условиях непрерывного среднесортного стана 450 ОАО “ЗСМК” апробирована технология прокатки с использованием неприводных клетей вместо приводных при прокатке с коэффициентом вытяжки меньше 1,1. Установлен факт экономии электроэнергии 0,75 кВт∙ч/т при замене одной приводной клети на неприводную;
– результаты диссертационной работы внедрены в учебном процессе при чтении лекций, в курсовом и дипломном проектировании, при написании трех учебных пособий, допущенных учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии для преподавания студентам высших учебных заведений, и удостоенных “Золотой медали” Кузбасской ярмарки, Новокузнецк, 2008 г. и диплома лауреата Всероссийской выставки учебно-методических изданий “Золотой фонд отечественной науки”, Москва, 2011 г.
Положения, выносимые на защиту:
- научные основы использования совмещенных методов ОМД: экспериментальные и теоретические результаты по определению продольной силы, протяженности зон скольжения, прилипания на контактной поверхности, методика расчета энергосиловых параметров рассматриваемых методов ОМД;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований совмещенного метода прокатки в приводной – неприводной клети, математическая и компьютерная модели, технологические решения по использованию неприводных клетей для увеличения вытяжной способности сортовых станов, освоению бескалибровой прокатки;
- результаты экспериментальных исследований, теоретические зависимости, обобщенные в математической модели прокатки – разделения неприводным инструментом, новый способ продольного разделения резанием, технология и режимы при продольном разделении непрерывным инструментом в потоке сортового стана;
- новые технические и технологические решения, расширяющие область использования прокатки в приводной – неприводной клети, прокатки – разделения неприводным инструментом;
- материалы экспериментального исследования метода прокатки – прессования, теоретические зависимости для определения энергоэффективных режимов деформирования, комплекс новых устройств, технология и аппаратно технологическая схема производства штрипсовой ленты из сортовой заготовки;
- методика оценки вероятности инцидентов в системе очаг деформации – валковая арматура, рассматриваемую как совмещенный метод ОМД и базирующуюся на знании продольной силы и разработанных критериев работоспособности, позволяющая сократить время непредвиденных простоев и брак.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 17 всероссийских и 12 международных конференциях: всероссийская научно-практическая конференция “Металлургия на пороге 21 века: достижения и прогнозы” (Новокузнецк, 2000); всероссийская научно-практическая конференция “ Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии” (Новокузнецк, 2001); материалы юбилейной рельсовой комиссии (Новокузнецк, 2002); межрегиональная научно-практическая конференция “Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением” (Магнитогорск, 2002); пятая, шестая, седьмая всероссийские научные конференции “Краевые задачи и математическое моделирование” (Новокузнецк, 2002, 2003, 2004); всероссийская научно-практическая конференция “Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество” (Новокузнецк, 2003); всероссийская научно-практическая конференция “Металлургия: технологии, реинжиниринг, управление, автоматизация” (Новокузнецк, 2004); вторая, третья международные научно-практические конференции “Организационно-экономические проблемы повышения эффективности металлургического производства” (Новокузнецк, 2005, 2008); всероссийская научно-практическая конференция “Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество” (Новокузнецк, 2005); всероссийская научно-практическая конференция “Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии” (Новокузнецк, 2006); всероссийская научно-практическая конференция “Металлургия: технологии, управление, инновации, качество” (Новокузнецк, 2007); 1я международная научно-практическая конференция “Человек: наука, техника и время” (Ульяновск, 2008); всероссийская научно-практическая конференция “Металлургия: технологии, управление, инновации и качество” (Новокузнецк, 2008); всероссийская научная конференция “Научное творчество XXI века” (Красноярск, 2009); XVI международная научная конференция “Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке” (Санкт-Петербург, 2009); VI международная научно-практическая конференция “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности” (Санкт-Петербург, 2009); II всероссийская научно-практическая конференция “Инновационные технологии в технике и образовании” (Чита, 2009); международная научно-практическая конференция “Современные направления теоретических и прикладных исследований ‘2009” (Одесса, 2009); VII всероссийская научно-практическая конференция “Конкурентоспособность предприятий и организаций” (Пенза, 2009); IV всероссийская конференция-семинар “Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы” (Самара, 2009); международная научно-практическая конференция “Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития ‘2009” (Одесса, 2009); международная научно-практическая конференция “Стратегия антикризисного управления экономическим развитием Российской федерации” (Пенза, 2009); международная научно-техническая конференция “Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением” (Санкт-Петербург, 2009); IV международная научно-техническая конференция “Современные методы и технологии создания и обработки материалов” (Минск, 2009); V международная научно-практическая конференция “Научно-технический прогресс в металлургии” (Темиртау, 2009); I международная конференция “Современные проблемы информатизации в системах моделирования, программирования и телекоммуникаций” (Москва, 2009); II всероссийская научно-практическая конференция “Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий” (Москва, 2010), а также обсуждались на технических совещаниях с сотрудниками ОАО “ЗСМК”, ОАО “НКМК” (г. Новокузнецк), ОАО “ЧМК” (МЕЧЕЛ) в Челябинске.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 91 печатная работа, в том числе 25 из перечня рецензируемых научных журналов, монография, три учебных пособия (с грифом УМО), а также 7 авторских свидетельства, 5 патентов, 2 свидетельства на программу для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 246 наименований и 6 приложений. Содержит 417 страниц машинописного текста (376 страниц без приложений), включая 171 рисунок, 28 таблиц.