Введение к работе
Актуальность работы
Как показывают многие результаты обобщения опыта работы современньк прокатных станов, правильно выбранная и достаточно точно рассчитанная калибровка валков позволяет значительно повысить эффективность формоизменения прокатываемой полосы на каждом этапе превращения ее из заготовки в готовый профиль. Поэтому естественно стремление многих исследователей разработать методы и математические модели, наиболее адекватно отражающие все термомеханические и физические процессы, протекающие в полосе, прокатываемой в некоторой системе, калибров.
В связи с тем, что современное понятие эффективности формоизменения включает в себя не только так называемые интегральные критерии очага деформации такие как работа, мощность, усилие прокатки, вытяжка и уширение полосы и т.п., но и дифференциальные характеристики такие, как напряжения, деформации, температура и др., позволяющие прогнозировать механические свойства и параметры структуры готовых профилей; исследователи вынуждены были для получения количественных оценок всех компонент эффективности процесса формоизменения привлечь идеи, методы и аппарат механики сплошной среды (МСС). Многими учеными с использованием методов ЬСС получены решения как отдельных задач, так и многих проблем теории и технологии прокатки в калибрах. Признавая методы решения задач калибровки, основанные на принципах и аппарате МСС как важнейшее направление разработки алгоритмов расчета термомеханических характерне-
. 4 _ тик формоизменения, приходится отмечать, что для достаточно большого класса задач сортопрокатного производства необходимы простые, но достаточно информативные, модели и соответствующие им быстродействующие.алгоритмы. Не является секретом, что реализации моделей МСС возможна с применением мощных ЭВМ с достаточным быстродействием, чему соответствуют значительные расходы времени и средств на получение результатов. В настоящее время минимизация затрат времени и ресурсов на проектирование И принятие решений как никогда ранее актуальна для нашей металлургической промышленности. Дело в том, что все чаще и в больших количествах появляются "малые" партии заказов, новых для данного производственного объекта, требующие модернизации калибровок или разработки новых. Естественно, что в таких ситуациях нет достаточно больших средств и использование доро- гостоящих машин и алгоритмов нецелесообразно. Кроме того, задачи проектирования калибровок многоэкстремальны, как и большинство других инженерных задач прокатного производства, и, следовательно, могут быть решены в процессе поиска и сравнения большого числа возможных режимов деформации с учетом самих разнообразных технологических, экономических, организационных и других факторов. Здесь, безусловно, необходимо упрощение моделей, создание каких-то компромиссных подходов к математическому, описанию геометрических и термомеханическпх метаморфоз при прэкатке в калибрах. В таких случаях приоритетным является создание простых и достаточно точных моделей, учитывающих возможности современной мобильной и недорогой вычислительной техники, квалификацию ее пользователей и другие экономические, организационные и технические требования. Необходимость решения задач АСУТП также ставит вопрос о разработке достаточно быстрых алгоритмов количественной оценки параметров формоизмо-
-.5-. нения.
Есе отмеченное выше свидетельствует о том, что процесс математического описания формоизменения в калибрах нуждается в дальнейшем развитии и проблема разработки простых компромиссных моделей и быстрых алгоритмов для расчета параметров калибровки является актуальной.
Цель работы. і
Разработка комплекса математических моделей формоизменения
при прокатке в калибрах, методов и алгоритмов их реализации,
позволяющих :
осуществлять-многовариантные расчеты параметров формоизменения в задачах поиска рациональных форм и систем калибров;
с достаточной скоростью, точностью и надежностью рассчитывать дифференциальные термомеханические характеристики прокатываемого металла;
применять для количественного анализа дифференциальных и интегральных характеристик, для решения задач рационализации формоизменения персональные. ЭВМ.
Для достижения указанных целей решены следующие задачи :
- с использованием аппарата механики сплошной среды и идей
полуаналитического , метода конечных элементов разработана мате
матическая модель объемного течения металла и быстродействующий
алгоритм расчета поля температур, напряжений и деформаций при
прокатке в калибрах;
- применительно к вытяжным калибрам разработан новый спо
соб математического описания контуров их поперечных сечений и
матрично-статистическая модель формоизменения при прокатке в
системах вытяжных калибров: .
, D w
исследовано взаимодействие сильно и слабообжимаемых частей профиля и решена задача количественной оценки параметров формоизменения через коэффициенты изменения формы;
на основе простейших моделей и быстродействующих алгоритмов разработаны программы для расчета калибровок валков,эффективно реализуемые на персональных ЭВМ.
, Научная новизна: . - разработана модификация полуаналитического метода конечных элементов для решения объемных задач прокатки в калибрах;
разработан быстродействующий алгоритм расчета термомеханических .характеристик полосы;
предложен матричный способ математического описания процесса преобразования контуров поперечных сечений прокатываемой полосы и разработана матрично-статистическая модель формоизменения в симметричных калибрах;
установлен факт, инвариантности суммы диагональных компонент матрицы формоизменения по отношению к вариациям элементов калибров;
, - исследован механизм взаимодействия различно обжимаемых частей профиля и на этой основе,разработана так называемая активно- реактивная модель расчета формоизменения, учитывающая влияние необжимаемых зон.
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждена лабораторными и промышленными экспериментами автора данной работы, а также сравнением с результатами исследований других авторов. Расчет параметров формоизменения, проведенный по разработанным контурнім моделям, хорошо коррелирует с практическими данными на сортопрокатных станах.
Практическая ценность.
Созданы методологически увязанные, между собой простые ма-' тематические модели формоизменения в калибрах простой формы, реализованные в алгоритмах и комплексе программ для персональных ЭВМ, позволяющие рассчитывать и анализировать калибровки валков, рассчитывать технологические характеристики процесса и параметры формоизменения, создавать нетрадиционные калибры и. рассчитывать формоизменение в них.
Разработан новый способ прокатки сорта с промежуточным го
рячим калиброванием раската' в блоках с многовалковыми калибра?
ми,- обеспечивающий высокую стабильность процесса формоизмене
ния. ,
Выявлены, обоснованы и доказаны на практике возможности и пути стабилизации формоизменения, повышения точности геометрических размеров сортового проката и эффективности процесса прокатки за счет совершенствования элементов калибров и их соотношений.
Разработана методика оценки и целенаправленного совершенствования калибровки валков, учитывающая особенности технологии процесса прокатки.
Реализация результатов_работы.
Разработаны'и внедрены новые нетрадиционные калибровки Балков и технологические режимы на заготовочных, среднесортном, мелкосортных и проволочном станах Магнитогорского и Белорецкого металлургических комбинатов. Чусовского и Узбекского металлургических заводов ( а. с. 1405912, 1026855, 10379976, 1199326,
1юу;:да, іг7іб0б, шгвп ).'
Гн-прены разработанные контурные математические модели (ормоизменешы. апгеритми и программы при создании АРМ "Калиб-
ровщик" в калибровочном бюро ММК и в учебном процессе в МГМИ, ДЛИ ( программы "Проект", "Разъем". "Анализ", "Диаметр", "Температура" ), на фирме "Еірго " (ГерманилК
Внедрены методшеи оценки калибровки валков для целенаправленного их совершенствования .
Разработан и'внедрен в проектные решения новый тип стана с промежуточным горячим калиброванием раската и определены его конструктивные и технологические параметры (. а. с. J242266 ). '
Апробация работы.
Штериалы диссертации докладывались и обсуждались на : , - конференциях : "Теоретические проблемы прокатного производства", Днепропетровск, 1980, 1988; "Проблеми термической и термомеханической обработки стали", Днепропетровск, 1981; "Новые .технологические процессы прокатки, интенсифицирующие производство и повышающие качество продукции", Челябинск, 1984, .1989; "Улучшение качества и экономии металла путем повышения точности прокатки сортовых профилей", -Москва, 1987; "Деформация металла в многовалковых калибрах1', Магнитогорск, 1987; "Матема-, тическое моделирование технологических процессов обработки металлов", Пермь, 1967; "Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов", Свердловск, 1988; "Проблемы повышения качества металлопродукции по основным направлениям черной металлургии", Днепропетровск, 1989;
- научно-технических конференциях, семинарах институтов :
ШШ, 1976... 1989; УГШ, 1985;. ЧГШ, 1989; ЦНШІЧЕРМЕТ, 1989;
ЫИОлО, 1989;.' ДЛИ и ДОННИИЧЕРМЕТ, 1989; ДМЕТИ. 1989; институт
металлургии им. А. А. Байкова,' 1989;
- на научно-технических совещаниях : Магнитогорский и Бе-
дорецкии моталлургические комбинаты, 198-1... 1989; Млгнитогоре-
- ,9 -
кий ГИПРОМЕЗ, 1988; Министерство черной металлургии СССР, 1987. ..1989.
Публикации.
Основные результаты диссертации отражены в монографии, 44 статьях, 12 авторских свидетельствах на изобретение, 7 методических пособиях.
Объем диссертации.
Работа изложена на дЬЗ страницах, состоит из введения, . шести глав, выводов, заключения, содержит 72 рисунков, 4? таблиц, список использованной литературы и приложении на {\к страницах.