Развитие технологических систем на основе комплексного моделирования для производства конкурентоспособного стального проката тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, доктор технических наук в форме науч. докл. Рашников, Виктор Филиппович

• Рашников, Виктор Филиппович
• доктор технических наук в форме науч. докл.
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме науч. докл. Рашников, Виктор Филиппович

Актуальность темы. Производство стального проката является одним из важнейших направлений функционирования как отечественной, так и зарубежной промышленности. Доля проката во внутреннем валовом продукте в развитых странах составляет около 10 %. В условиях рыночных отношений первостепенное значение приобретает конкурентоспособность выпускаемой продукции, определяемая достижением гарантированных показателей качества при низких издержках производства.

Обеспечение конкурентоспособности представляет собой сложную многофакторную проблему. Ее радикальное решение невозможно без системного анализа сквозной технологической схемы от производства стали до получения готового проката и изделий из него. Для такого исследования разнородных процессов необходимо создание комплекса различных по физической сущности и математическим методам моделей,, применение которых позволяет получить научно-обоснованные весомые результаты. В конечном счете их обобщение дает основу для позитивного развития сложной технологической системы «сталь - прокат - металлопродукция».

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является обеспечение стабильного экономичного производства стального проката гарантированного качества и изделий из него на основе создания технических и технологических решений, направленных на совершенствование и развитие системы «сталь -прокат - металлопродукция».

ГГ^гйля достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи: - разработана информационная система анализа сквозных технологий и на разе предложена стратегия управления качеством продукции; - выполнено исследование с применением метода конечных; элементов л|СЭ) напряженно-деформированного состояния (НДС) металла в очаге депри прокатке; . „\

-4- создан комплекс математических моделей процесса формирования структуры и механических свойств стального проката при разнообразных технологических условиях;

- развит матричный метод для анализа и совершенствования калибровки валков и процесса сортовой прокатки;

- осуществлено совершенствование действующих технологических систем листопрокатного и сортопрокатного производств, определены перспективы их развития и выбраны виды продукции и соответствующие технологии для эффективной глубокой переработки металла.

Научная новизна. Применительно к действующей технологической системе создана, информационная структура, которая формирует соответствующую базу знаний с четырьмя основными функциональными выходами: 1) нормативных режимов; 2) коррекции назначений полупродукта; 3) динамической коррекции технологии; 4) новых технологий. Разработана система управления качеством продукции, ядром которой является указанная информационная структура.

Математическая модель НДС прокатываемого металла, основанная на МКЭ, создана для объемной задачи с возможностью сокращения порядка системы разрешающих уравнений и сведения процедуры к последовательности решений обобщенных двумерных задач.

Комплекс математических моделей процесса структурообразования и формирования механических свойств проката разработан с учётом важнейшей особенности горячей деформации - существенной подвижности границ зерен и эволюции зеренной структуры. Последняя описана в тесной связи, с одной стороны, с эволюцией дислокационной субструктуры, а с другой, - с изменением состояния границ зёрен в результате накопления на них деформационных дефектов. '

На основе развития матричного 'Подхода к описанию сортовых калибров и процесса деформирования в них, а также учета закономерностей метрического векторного пространства введён критерий технологичности формоизменения -5- . -'■"■' для сравнительного анализа калибровок валков. Предложена матричная математическая модель настройки в реальном масштабе времени межвалковых зазоров и скоростей проката в непрерывных группах клетей сортовых станов, учитывающая влияние комплекса наиболее существенных технологических факторов (марки стали, температуры, диаметра валков, износа калибров).

Создан комплекс защищенных авторскими свидетельствами и патентами технических и технологических решений применительно к структуре и объектам листопрокатного и сортопрокатного производств, а также к эффективным процессам глубокой переработки металла - получению гнутых профилей, прямо- и спиральношовных труб малого и большого диаметров, штампованных изделий из холоднокатаного листа.

Практическая ценность работы. Диссертация связана с проблемами реконструкции и развития ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», , определенными в последние годы Указами Президента Российской Федерации № 1089 от 27.05.94, № 537 от 13,04.96, Постановлениями Правительства Российской Федерации № 747 от 22.06.94, № 796 от 12.07.96, региональными документами, а также решениями Совета директоров и Правления открытого акционерного общества.

Практическое использование предложенных принципов информационного анализа сквозных технологий позволяет сформировать достоверную базу знаний для действующего технологического комплекса, которая выдает нормативы технологии, сигналы динамической коррекции процесса при различных , возмущениях (отклонениях состава сырья, параметров полупродукта, выходе из строя оборудования и т.д.), а также при необходимости рекомендует ввод новых элементов технологии. Интегрирование этой системы как ядра в трехуровневую (агрегат-цех-комплекс) систему сквозного управления качеством способствует обеспечению стабильного производства продукции гарантированного качества.

Математическое 'моделирование НДС обрабатываемого металла для случая горячей сортовой прокатки дает действительные поля напряжений и скоростей

-6в очаге деформации, по которым можно найти разнообразные технологические параметры реального процесса. В результате создается объективная основа для совершенствования действующих и проектирования новых эффективных технологий. Кроме того, знание НДС необходимо для дальнейшего описания процессов структурообразования.

На основе прогнозирования структуры и механических свойств проката уточняется нормативная технологическая база для действующих и проектируемых сортовых и листовых станов, вводится коррекция температурно-скорост-ных и деформационных режимов прокатки, направленная на повышение потребительских свойств продукции и ее конкурентоспособности.

Критерий технологичности формоизменения, предложенный исходя из матричного подхода, является инструментом для сравнительного анализа, выбора и совершенствования калибровок валков сортопрокатных станов. С помощью матричной модели настройки непрерывных станов проводят многовариантные исследования различных сочетаний клетей и величин межвалковых зазоров, выбирая в итоге наиболее эффективный вариант получения точного и стабильного профиля.

Системный информационный анализ и комплексное моделирование служат научной основой создания и внедрения новых технических и технологических решений, направленных на совершенствование листопрокатного и сортопрокатного комплексов, производства по глубокой переработке металла и определение эффективных путей их развития.

Реализация результатов работы в промышленности. Все результаты диссертационной работы внедрены на основных переделах, использующих процессы обработки металлов давлением, ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Информационная система анализа сквозных технологий реализована в технологическом комплексе «кислородно-конвертерный цех -листопрокатный цех № 10 (со станом 2000 горячей прокатки) - листопрокатный цех № 5 ( со станом 2500 холодной прокатки)». Результаты работы системы постоянно используются для коррекции технологических процессов и минимизации потерь от влияния возмущений по составу сырья, характеристикам полупродукта и сбоям в работе оборудования. Разработанные новые технические решения по усовершенствованию деформационных и температурно-ско-, ростных режимов листовой и сортовой прокатки, калибровки валков и настройки процессов, внедрены на широкополосных станах 2000 и 2500 горячей прокатки, непрерывно-заготовочном 530, сортовых 250-1, 2, 300-1. Осуществление этих мероприятий привело к повышению потребительских свойств (предела прочности, пластичности, точности), расширению сортамента выпускаемой продукции и, следовательно, ее конкурентоспособности.

Для развития крупнейшей технологической системы комбината «ККЦ -цех горячей листовой прокатки» разработан проект и ведется строительство нового цеха холодной листовой прокатки со станом 2000. Пуск этого цеха резко .повысит технико-экономические показатели листопрокатного комплекса. Предложены решения по совершенствованию системообразующих связей между его отдельными переделами.

Разработана концепция поэтапного развития сортопрокатного комплекса ОАО «ММК». Предусмотрена реализация новой высокотехнологичной линии в составе электросталешгавильных печей, агрегатов «печь-ковш», машин непрерывного литая заготовок и современных автоматизированных сортовых станов широкого сортамента.

Внедрение процессов глубокой переработки металла представлено соот-, ветствующим оборудованием и технологическими процессами для производства гнутых профилей разнообразного сортамента, включая специальные гофрированные большой ширины и профили дорожных ограждений мирового уровня, прямошовных труб малого диаметра, штампованных изделий для автомобилестроения, сельского хозяйства и других отраслей. Принят к реализации проект линии с двумя станами для изготовления спиральношовных труб большого диаметра, предусматривающий их антикоррозионное покрытие. Разработана технология получения высокопрочной упаковочной холоднокатаной ленты.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на международных симпозиумах в США (Чикаго, 1993 г., Лас Ве-гас, 1995 г., Гонолулу, 1995 г.), Бразилии (Сан Пауло, 1994, 1997 гг.), Чехии (Прага, 1998 г.); на ведущих фирмах в области металлургических технологий и оборудования Германии, Италии, Франции, США, Японии в 1990 - 1998 гг.; на международном коцгресре прокатчиков в Череповце (1997 г.); на ежегодных научно-технических конференциях в Магнитогорском государственном техническом университете в 1993 - 1998 гг.

Публикации. Содержание научного доклада отражено в 6 книгах, 21 научной статье, 18 авторских свидетельствах и патентах России. Представленные к защите материалы являются результатом работы, проведенной лично автором, под его руководством и с его участием.

1. Анализ сквозных технологий и управление качеством продукции [13,21,26]

Для реализации сформулированной выше цели работы необходимо создать эффективную и надёжную информационную структуру анализа сквозных технологий, пригодную к промышленному использованию (рис. 1). Под сквозной технологией понимаем комплекс технологических операций в системе «сталь-прокат-металлопродукция». В основе предлагаемой информационной структуры - концепция .формирования базы знаний о действующем технологическом процессе в реальном масштабе времени. Указанная концепция обусловлена многофакторностью анализируемого динамического процесса, большим количеством возмущающих воздействий на него. Поэтому часто возникают отклонения от нормального хода производства и в случае отсутствия анализирующей структуры соответствующие управленческие решения, принимаемые за ограниченное время и при недостатке информации, далеки от наилучших. В результате растут производственные потери, снижается качество продукции, что отрицательно сказывается на её конкурентоспособности.

Предложенная информационная система синтезирует интегрированную базу знаний сквозной технологии методами пассивного и активного технологических и вычислительного экспериментов. Исходные значения технологических параметров собирают и представляют: в режиме реального времени — база данных, а в режиме долговременного хранения - консолидированный банк. Экспертные оценки для базы знаний вырабатываются под входным воздействием двух ветвей обработки информации из базы и банка данных (на рис. 1 - левая и правая ветви).

В левой ветви используется математическое моделирование физической сущности технологических операций (см. ниже комплекс математических моделей). Модели приспосабливаются к реальным производственным условиям с помощью модуля адаптации. С этой же целью из расчётного модуля привлекаются и инженерные оценки значений технологических параметров. Предусмотрена возможность проведения вычислительных экспериментов и построения итоговых регрессионных зависимостей. Они являются простым и быстродействующим вариантом обобщения результатов математического моделирования. Построенные промышленно-применимые модели позволяют найти области допустимых значений технологических параметров, а также оперативно вырабатывать предложения по улучшению хода процесса.

В правой ветви в двух последовательных модулях осуществляется статистическая обработка текущей информации. В первом модуле происходит составление выборок технологических данных, реализация стандартных процедур их обработки, генерация отчётов и рапортов, а во втором - построение по запросам выборок произвольной сложности, реализация расширенного набора процедур обработки данных, построение графиков и гистограмм, вывод эмпирических правил и разработка регрессионных моделей. Выходом правой ветви также являются предложения по улучшению хода процесса.

Результаты обработки информации в обеих ветвях системы обобщает модуль экспертной оценки, который даёт заключение о целесообразности предлагаемых изменений технологии, а также выполняет планирование

Консолидированный банк технологических данных.

МоЦуй?м'ойелированйя» физических процессов Расчетный модуль'

МОДУЛЬ адаптации

Модуль обработки»;; технологической-: информации -ПНИЩ

I Модуль поддержки технологических. 1 решений

Модуль экспертной, оценки

Устойчивые технологии

Снижение влияния возмущений

Новые технологии

Рис. 1. Информационная система анализа сквозных технологий технологических экспериментов и управляет их проведением.

Синтезируемая в конечном счёте база знаний использует в качестве входной информации как текущие экспертные оценки хода технологического процесса, так и данные внешних источников знаний и результаты осуществления исследовательских проектов. База знаний имеет четыре основных функциональных выхода (см. рис. 1),

Первый из них представляет собой таблицу штатных производственных режимов с указанием областей допустимых значений технологических параметров. Следующие два выхода содержат алгоритмы снижения потерь от нарушений технологии. Причём второй предусматривает достижение этого путём оперативного переназначения полупродукта в пределах имеющегося портфеля заказов, а третий — путём коррекции параметров процесса на последующих переделах. Следовательно, информация с указанных трёх выходов направлена на стабилизацию действующей технологии и минимизацию потерь от влияния возмущений.

Информация с четвёртого выхода предназначена для коренного обновления процесса получения требуемой продукции, применения,с этой целью новых технологий. Последний выход функционирует в случае неэффективности действующей технологии, невозможности обеспечения регламентированных показателей качества выпускаемых изделий или по специальному заданию информационной системы.

Для осуществления цели настоящей работы важнейшим этапом использования представленной информационной системы является управление качеством продукции. Системы анализа технологий должны быть созданы на каждом переделе и интефированы в структуру систем управления качеством. В целом для технологического комплекса совокупность последних образует трёхуровневую систему сквозного управления качеством продукции (рис. 2). Системы анализа технологий на всех переделах и уровнях воплощают единую

Рис. 2. Иерархия системы сквозного управления качеством продукции листопрокатного комплекса концепцию синтеза соответствующей базы знаний, которая формирует на своих выходах нормативную технологическую базу и сигналы выбора назначений полупродукта и корректировки процесса. Реализовать эти выходные сигналы требуемыми воздействиями на процесс может производственный персонал или непосредственно АСУ ТП.

Система сквозного управления качеством решает производственные задачи в соответствие со .своей иерархией. На уровне агрегатов (конвертера, печи, прокатного стана и др.) выполняется оптимальный выбор задания на обработку металла на основании информации о назначении плавки (сляба, рулона), текущем состоянии оборудования и ряда правил, сосредоточенных в нормативной базе. Набор подсистем уровня агрегатов объединяется на уровне цеха (кислородно-конвертерного, горячей прокатки листа и т.д.). Его задачами являются обеспечение согласованной работы агрегатов, назначение плавки (партии) с учётом существующего портфеля заказов, показателей качества заготовки, правил по выбору оптимального режима обработки. Уровень комплекса реализует сквозное информационное сопровождение технологического процесса от выплавки до отгрузки готового металлопроката. На этом уровне происходит заполнение интегрированной нормативной базы технологических режимов, формирование алгоритмов корректировки параметров технологии в зависимости от истории обработки металла и вывод правил изменения назначения, если плановый заказ не может быть выполнен (по показателям качества, состоянию оборудования и др.).

Для создания и обеспечения эффективного функционирования информационной сети и системы сквозного управления качеством продукции необходимо разработать комплекс математических моделей основных процессов - таких, как пластическое деформирование, образование структуры и механических свойств металла, листовая и сортовая прокатка. Эти модели сложных явлений должны сочетать достоверность, надёжность и относительную простоту, облегчающую их промышленное применение в режиме реального времени.

-142. Моделирование и исследование НДС металла при прокатке [3,12,25]

Вопросу описания НДС металла в прокатном очаге деформации посвящено большое количество работ. Созданы программные продукты мирового уровня для решения разнообразных объемных задач, как правило, на основе МКЭ. Так, американскими учеными Дж. Парком и С. Охом разработан пакет программ SHPROL для моделирования процессов прокатки в различных условиях и получения полных характеристик трёхмерного НДС. Однако требуемое при этом время компьютерных расчетов одного варианта составляет сотни часов. В нашем же случае задачей является построение такой математической модели и соответствующей программы, которая может оптимизировать процесс, рассчитывая большое количество вариантов за ограниченное время.

С целью повышения быстродействия алгоритма предложено использовать принципы полуаналитического метода конечных элементов (О. Зенкевич) и сходные с ними идеи, развитые Г.Я. Гуном, а в дальнейшем Ё.Н. Чумаченко, H.H. Машковой и другими. Сущность этих подходов сводится к тому, что без заметной потери точности одно из перемещений задают в аналитическом виде с малым числом неизвестных параметров. В результате удается сократить порядок системы разрешающих уравнений или вообще свести решение объемной задачи к последовательности решений обобщенных двумерных задач. В дополнение к указанному приняты допущения: гипотеза плоских сечений, отсутствие контактных зон прилипания в очаге и упругого сплющивания валков, изотропность деформируемого металла. Реологические свойства последнего в горячем состоянии заданы в виде нелинейных зависимостей интенсивности напряжений от интенсивности скорости деформаций = /(£,) при ряде значений интенсивности деформаций и температур.

В прямоугольной декартовой системе координат (с поперечной X, вертикальной Y и продольной Z осями полосы на выходе из валков) для любого вер

-'15- ' ■ тикалъного элемента толщиной Az, выделенного в очаге деформации на произвольном расстоянии Z — Z, в соответствии с принятыми подходом и допущениями можно записать выражения для компонент тензора скоростей деформации: х =? £а(х>У), = £уу(х>У), = const и компонент тензора напряжений: стй=а^(х,у),

Тогда шесть уравнений совместности Сен-Венана сводятся только к одному:

Поскольку предметом нашего изучения является НДС очага деформации, то из рассмотрения можно исключить составляющие пространственных пере, мещений элемента как жесткого тела. В этом случае в любом фиксированном элементе Az с учетом условия = С = const компоненты скоростей перемещений частиц независимо от связи между компонентами тензоров напряжений и скоростей деформации, представляются соотношениями вида: Vx = ql(.x,y),Vy=q2(x,y),V2=c-z,

Следовательно, трехмерное поле скоростей перемещений выделенного элемента расчленяется на две составляющих: поле скоростей { в сечении, перпендикулярном направлению прокатки* й компоненту скорости Уг вдоль него.

Таким образом, исходная объемная задача для элемента Az сводится к «обобщенной» двумерной, а для очага деформации в целом - к последовательности таких задач.

-16- ■

Поле скоростей { Ух, Уу} в поперечных сечениях очага отыскиваем применением швестного процесса конечно-элементной аппроксимации.

Продольная составляющая скорости К. вычисляется итерационной процедурой поиска констант С = Скг минимизирующих функционал ф (ск)оггс1хс1у + 2 • (^а ± /и) ■ ЛапШг -сг" ■ $ полученный на основе уравнения равновесия элемента Л^

Я(^г2 - + Ц(стш Т тг= 0, а ■ г где сги , т нормальное и касательное контактные напряжения; иг' их проекции на ось прокатки;

СС - угол наклона касательной к поверхности валка; - коэффициент внешнего трения по закону Кулона-Амонтона;

- поперечное сечение полосы при 2 = 2 \

Г - контактная поверхность; допускаемая погрешность решения.

Продольное ншзряжение сгж 5 возншсэющее в элементе Дг из-за действия напряжений натяжения полосы СГг0 на входе в валки и СГ2] на выходе, определяется выражением г,1+(0'л-сг»1),у»где / - координата, соответствующая захвату полосы валками (длина очага деформации). Разработанная Методика применима к исследованию НДС металла при горячей сортовой прокатке как в калибрах, так и на гладкой бочке. Рассмотрим, в частности, для условий проволочного стана 250-2 ОАО «ММК» результаты расчетов интегральных характеристик НДС и компонент скоростей деформаций и напряжений. Моделировали прокатку квадратной заготовки (59x59мм) в раскаты с размерами сечений 39,0x70,5 а затем 40,0x49,6мм в первых двух клетях с ящичными калибрами ( с кантовкой между клетями ). Максимальные катающие диаметры составляют 330 и 312мм, а окружная скорость валков - 1610 и 2220 мм/с соответственно.

Для анализа представляли распределения полученных величин по ширине полосы в трех слоях по ее высоте: в центральном {у/Ь=0), приконтактном с У/к =1) и промежуточном {у/к= 0,5) - в каждом из трех сечений очага деформации: на входе {г 11=1, рис. 3), выходе (г/! =0) и в середине( 2 Я =0,5).

При прокатке в первой клети интенсивность скоростей деформаций сдвига Н и ее неравномерность по сечениям очага быстро убывают от входа к выходу. Во входном сечении значения Н в центральных слоях (40 45 с"1) почти в два раза выше, чем в приконтактных (22 + 25 с'1), а в выходном они практически одинаковы по всему сечению (~ 1 с"1). Выявлена некоторая область преимущественного течения металла в центральных слоях в начальной стадии прокатки, где скорости деформации в поперечном ^и высотном ^ направлениях имеют максимальные абсолютные значения и являются главными, поскольку скорость сдвиговой деформации <?ху~-0. В промежуточных слоях, прилежащих к области интенсивного течения, в силу условия совместности, развивается сдвиговая деформация. Ее влиянием можно объяснить экстремальный характер распределения по ширине очага компонент £Х1и 4уу в этих слоях.

Воздействие боковых стенок калибра проявляется в том, что скорость деформации в поперечном направлении 4хх в приконтактных слоях изменяет свой знак с положительного в начале очага деформации на отрицательный к выходу из него. В промежуточных и центральных слоях такого изменения не происходит.

Иовышение относительного обжатия на 10% и изменение соотношения поперечных размеров раската во второй клети по сравнению с первой привело к росту интенсивности скоростей деформации сдвига на выходе из очага почти в два раза в центральных слоях, в полтора - в промежуточных и на 10 20 % - в приконтактных.

В качестве интегральной характеристики напряженного состояния выбран показатель СГ/Т - отношение гидростатического давления к интенсивности касательных напряжений, который при неблагоприятной жесткой схеме , (о>0) имеет положительное значение, а при мягкой (о<0) - отрицательное.

При прокатке в первой клети напряженное состояние полосы характеризуется неравномерным распределением показателя сг/Т по очагу деформации. На входе он изменяется в интервале от -1,3 до 1,0 (см. рис. 3). Положительное значение относится к приконтактному слою в центре сечения, что связано с действием продольных напряжений растяжения. На половине ширины полосы (х/Ь<0,5) к середине очага распределение сг/Т существенно выравнивается, войдя в интервал (-1,5 +-0,7), а затем к выходу еще уплотняется до интервала (-1,1 +-0,9). Однако к боковой поверхности неравномерное распределение показателя сг/Т усиливается в середине очага до диапазона (-2,7+ -0,3), а на выходе из него - до (-2,4 + -0,3). Тем самым проявляется действие боковых стенок ящичного калибра по мере заполнения его металлом, непосредственно характеризуемое поперечным напряжением охх, Уже на входе в очаг в приконтактных и центральных зонах боковой поверхности создаются поперечные напряжения сжатия (-25МПа и -5Мпа соответственно). В середине очага подпирающее влияние боковых стенок усиливается (в приконтактной зоне СГ0. = -115Мпа), а квыходу оно сохраняется в приконтактной и промежуточной , зонах, но ослабевает в центральной.

При прокатке во второй клети напряженное состояние металла характеризуется теми же особенностями, что и в первой.

0,5 х/Ь

2 1 0 -1

-60 О и-1 'Л' Я

0,5 х/Ь

Рис. 3. Распредедение интегральных характеристик и компонент НДС во входном сечении очага деформации (^г - 12,2 с"1) первой клети: сплошная линия - центральный слой, штриховая -промежуточный, штрихпунктирная - приконтактный.

Затраты машинного времени на выполнение описанных расчетов на компьютере Регйшт ] 00 не превышают 20 минут.

Сравнение результатов математического моделирования с данными промышленных и лабораторных исследований показало хорошее соответствие -погрешность не превышала 10%. Кроме того, проведение аналогичных расчетов с помощью американского пакета БНРЗЮЬ, реализующего полную трехмерную модель прокатки в калибрах, также выявила совпадение количественных итогов.

Варьируя размеры заготовки и калибров, меняя их форму (см. раздел 4), можно оптимизировать НДС по выбранным критериям.

3. Моделирование процессов формирования структуры и механических свойств горячего проката [1-4,11,19,22,27]

Достижение цели настоящей работы и, в частности, решение проблемы управления качеством проката невозможно без определения закономерностей, связывающих технологические параметры процесса производства с показателями потребительских свойств продукции. В металлургии довольно часто эти закономерности представляют регрессионными моделями типа «режим - свойства». Однако такие модели имеют два принципиальных недостатка: большое количество входных и выходных величин и вынужденное использование допущения о том, что во всем пространстве параметров зависимость одна и та же. Весьма плодотворен иной подход, снимающий указанные недостатки, который заключается в разбиении общей задачи на две: «режим - структура» и «структура - свойства». Современное состояние теории пластичности и физического металловедения позволяет для решения цервой задачи создать физически обоснованную модель и лишь для решения второй применить эмпирические соотношения. Большая часть известных решений первой задачи относится к деформации при невысоких гомологических температурах. В настоящей работе развиты и обобщены теоретические представления о процессах формирования структуры, которые потом доведены до уровня промышленно-применимых математических моделей для различных случаев горячей 1фокатки углеродистых и низколегированных сталей.

Структуру стали характеризовали выделением четырех ее составляющих:

- аустенитных зерен с радиусом гк, плотностью свободных ри и связанных psk дислокаций (индекс ¿-номер группы зерен, соответствующий номеру клети на многоклетевом стане);

- ферритных зерен с радиусом г/*;

- перлитных колоний с объемной долей AVP и межпластинчатым расстоянием!^;

- бейнитных областей с объемной долей АFj.

Разработали математическое описание хода основных процессов эволюции структуры деформируемой горячей стали.

Скорость накопления мощности дисклинаций П. пропорциональна интенсивности скорости деформации : где х|) - коэффициент, величина которого определяется разориентировкой

Доля субзерен, способных стать зародышами рекристаллизации, накопив за время приращения интенсивности деформации Дец критический разворот ©„., определяется выражением: где р(\\>) - плотность вероятности распределения субзерен по величине \|/. Радиус зародышей рекристаллизации, образующихся в ¿-той клети:

Образование зародышей рекристаллизации соседних зерен, ориентировкой границ и геометрией скольжения. где Ъ — вектор Бюргерса.

Количество зародышей, возникающих за время приращения интенсивности деформации Ае^, в да-той клети: где Иск - количество мест в зерне, в которых возможно образование зародышей.

Эволюция дислокационной структуры

За время At приращения интенсивности деформации &еит в т-й клети плотность свободных и связанных в субграницы дислокаций в зернах ¿-той группы изменяется следующим образом:

1Ь гк

Къ гк где I - средняя длина пробега дислокаций в образце без субзеренных и зе-ренных границ до захвата в результате образования прочного соединения с дислокациями леса; 13 - средняя длина пробега дислокаций до остановки на субграницах;

- подвижность дислокаций: Мл = КтЛ ехр(- 0,/ЛГ); ^ - удельная энергия дислокаций; X - ступенчатая функция Хевисайда. Длина пробега дислокаций определяется размером субзерен, который зависит от интенсивности деформирующего напряжения ои: где - численный коэффициент; С модуль сдвига. Интенсивность приложенного напряжения связана с плотностью дислокаций соотношением:

-23-сти = аОЬрг\ где а - численный коэффициент (а » 1). Усреднение р1/2 производится по всему объему образца.

Изменение размеров зерен

Скорость миграции границ зерен ¿-той группы считаем пропорциональной разности их удельной избыточной энергией Шк и среднего значения этой энергии по всему ансамблю IV : где Мь- коэффициент подвижности зеренных границ; <2ъ — энергия активации миграции границы; К„ъ- коэффициент скорости миграции границы.

Такое приближение соответствует рассмотрению'эффективной среды, заменяющей конкретное окружение зерна.

Полагая, что вклад энергии дислокаций, объединенных в субграницы, преобладает по сравнению с вкладом свободных дислокаций, можно записать: где 1¥ь - удельная энергия границ зерен.

С учетом того, что при миграции границ объем образца не меняется, среднюю удельную избыточную энергию кристаллической решетки можно определить следующим образом: где пк — число зерен ¿-той группы.

Кинетика полиморфного превращения

Она описывается путем вычисления изменения объемной доли Рр каждой из структурных составляющих (р - аустенит, феррит, перлит или бейниг) на основе данных диаграмм изотермических превращений. Последние представляются в виде набора функций, описывающих зависимость времени начала и конца р-тото превращения от температуры ^ р (Т) и р (Т).

В конечном счете выражение скорости превращения имеет вид:

О» при ¿<1\/Г)

УЛТ,*) =

Ар ехр[-1п^(Г) - - 1паустенита.

Представленное выражение в сочетание с дифференциальной связью Ур (Т, Рр) описывает кинетику превращения для произвольной траектории охлаждения.

Количество ферритных зерен, возникших за время Л/, составляет: где 8г к - площадь границ аустенитных зерен в момент г;

N - коэффициент скорости образования ферритных зародышей; {.~){ - коэффициент температурной зависимости скорости зародыше-образования.

Если за время Д/ объем ферритной составляющей изменился и стал равным У/у то размер зерна феррита всех групп за это время изменился на величину Аг/, которую можно определить из уравнения (суммирование производится по всем зернам феррита):

Межпластинчатое расстояние Sp в перлитных колониях, образующихся при температуре Г, определяется выражением; Sp^Kps/(T^-T), где К^ - эмпирический коэффициент.

Для анализа процессов развития структур сталей при горячей прокатке разработана компьютерная программа, реализующая описанную выше математическую модель (рис. 4). После окончания моделирования структуры, то есть решения задачи «режим - структура», переходят к решению задачи «структура - свойства», отыскивая по известным эмпирическим выражениям пределы прочности сг„ и текучести стт. Так, расчет этих пределов для ферритно-перлитных структур можно осуществить по соотношениям ГлэдманЯ в зависимости от объемной доли и средней хорды феррита, межпластинчатого расстояния в перлите, содержания в стали кремния, марганца и концентрации азота в феррите. Для достижения адекватности прогнозирования модель должна быть адаптирована путем подстройки ее параметров к условиям конкретного стана. Осуществив такую адаптацию, получили комплекс промыщленно-применимых моделей для прокатных станов. Приведём некоторые результаты вычислительных экспериментов.

Применительно к условиям широкополосного стана горячей прокатки 2500 . моделировали процессы структурообразования полос конечной толщины 4,7 мм из стали 3 пс в чистовой группе клетей (табл. 1) и хвостовой зоне стана. Температуры начала и конца охлаждения на отводящем рольганге и смотки были заданы значениями 815,650 и 625 °С соответственно, Ход процессов рекристаллизации (рис. 5) определяется тем, что во время деформации в каждой клети резко возрастает плотность свободных и связанных в субграницы дислокаций. В деформируемой структуре образуются новые

Рис. 4. Блок-схема компьютерного моделирования процессов формирования структуры сталей. мелкие зерна - зародыши рекристаллизации. При этом средний размер зерен падает и возникает сильная разнозернистость. Далее в межклетевых промежутках новые зерна растут, в результате чего средний размер зерна увеличивается, а плотность дислокаций снижается. Процессы структурообразования в хвостовой зоне стана диктуются ходом охлаждения полосы (рис. 6).

2.5x10"

Деформация

Плотность несвязанных дислокаций, м

Средний размер аусгенитных зерен, мкм

1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 13.5 15.0 ^с . Рис. 5. Изменение параметров структуры стали Зпс при чистовой прокатке

Температура, °С

7 14 21 , 28 35 42 49 56 63 70 ^ с

Рис. 6. Ход полиморфного превращения в стали Зпс на отводящем рольганге и при смотке

Таблица

Деформационно-температурный режим чистовой прокатки на стане

Номер чистовой клети

Толщина полосы на входе в клеть, мм 35 . 24 16 12 9 6,9 5,

Истинная деформация (вытяжка) 0,38 0,41 0,29 0,29 0,27 0,23 0,

Температура полосы на входе в клеть, °С

Температура полосы на выходе из клети, °С !

Для сортового стана 250-2 моделирование довели до определения механиче-,ских свойств прокатываемой стали 3 пс (рис. 7). Увеличение температуры конца прокатки и времени деформации приводит к снижению пределов прочности и текучести, а увеличение степени деформации - к росту этих пределов. Полученные регрессионные соотношения (см. рис. 7) просты, надежны и поэтому удобны для корректировки режимов горячей прокатки в реальном масштабе времени.

В целом разработанная математическая модель отвечает задачам ее использования в системах анализа технологий и управления качеством продукции для формирования соответствующей части базы знаний и выходных воздейст-, вий на производственный процесс.

4. Развитие матричного метода описания процессов сортовой прокатки [5,6,12,14,18,23]

На кафедре обработки металлов давлением Магнитогорского государственного технического университета была разработана матрично-статистическая модель формоизменения металла в калибре. В её основе - дискретное описание схв = 499+189.77е~0.295(м1-37.37е2 Я = 0.

-■-! I 'г-. х = 6с

-- 763.7 - 4.79т - 0.96^+03т2 Я = 0. е = 1.

Рис. 7. Зависимость пределов прочности (а) и текучести (б) от технологических факторов процесса прокатки на стане 250контура поперечного сечения проката (или калибра) рядом точек. В полярной системе координат их расположение характеризуется лучами (радиусами-векторами), исходящими из выбранного полюса. В результате контуры сечений представляют совокупностями длин соответствующих лучей, записанными в виде матриц-столбцов (векторов) 60 для входящего в валки профиля и 6, для выходящего. При этом процесс формоизменения в калибре предложено описывать диагональным матричным оператором [С], выполняющим преобразование:

В связи с такими особенностями матричного подхода, как ориентация на технологические задачи и приспособленность к компьютерной реализации, в настоящей работе осуществлено его развитие для моделирования и анализа процесса формоизменения в последовательном ряде сортовых калибров. Отметим, что этот подход является не альтернативой, а целенаправленным дополнением феноменологического подхода, базирующегося на методах механики сплошных сред, который реализован в разделе 2.

Использование матричного метода позволяет представить калибровку валков в виде математического объекта-множества элементов п-мерного векторного пространства. Для любой пары векторов Ь,- и Ь]+ь описывающих два контура сечений в. определённом векторном пространстве, путь перехода (формоизменение) между ними будет определяться согласно введённой на этом пространстве метрике: где Ь)1 и Ь+1д - компоненты указанных векторов; п - общее число компонентов (точек контура) каждого вектора.

Если один вектор характеризует исходный контур (профиль заготовки), а другой - койечный (Профиль проката - Ът), то метрика является «метрикой процесса». Она даёт суммарное изменение длин компонент вектора при итоговой трансформации контуров, то есть некоторую интегральную величину, которую по физическому смыслу можно интерпретировать как работу, требуемую для такого формоизменения.

На основе представленного подхода сформирован важный обобщённый оценочный показатель - коэффициент технологичности формоизменения при сортовой прокатке:

Ь -Лчу| где — - «метрика процесса», отражающая минимальную работу формоизменения исходного контура в конечный; ~ сумма метрик для всех последовательных пар контуи . ' ров за т проходов, отражающая фактическую суммарную работу при данной системе калибровки валков.

Из анализа формулы следует, что 0 < Кт 51.

Коэффициент технологичности предназначен для сравнения различных калибровок валков по энергозатратам на формоизменение. Чем ближе величина фактической суммарной работы к минимальной, тем выше значение этого коэффициента и, следовательно, предпочтительней калибровка. Выполнили сравнительный анализ вариантов калибровок валков на сортовых станах (в частности, на стане 250-2 ОАО «ММК» - рис.8, табл.2) с использованием коэффициента технологичности и параллельно комплекса традиционных показателей, просуммированных по проходам: коэффициентаэффективности Кэ, работы формоизменения А®, усилия Р и момента М прокатки, диапазона соотношений размеров поперечных сечений ЫЪ. и других. Энергосиловые параметры нашли на основе математической модели НДС (см. раздел 2).

Рис. 8. Исходный (а), опробованный (б) и внедрённый (в) варианты калибровки валков черновой группы клетей стана 250

Таблица

Сравнительный анализ-вариантов калибровки валков черновой группы клетей проволочного стана 250

Вариант Кт Кэ Аф, кДж Р, кН м, кН-М Использование резерва углов захвата, % Число каиго-вок ЫИ Суммарный балл экспертной оценки а 0,52 4,38 17,1 2190 136 70-83 4 0,73 - 3, б 0,54 4,81 16,8 3751 147 63-98 5 0,82-3, в 0,57 5,11 16,4 2790 137 52-98 4 0,8?-2,

Во всех случаях получили, что возрастание коэффициента технологичности отвечает снижению работы формоизменения и улучшению в целом комплекса параметров сортовой прокатки. Это подтверждает целесообразность его применения для оперативной оценки и корректного выбора предпочтительной калибровки валков.

Среди показателей качества сортового проката важное место принадлежит точности формы и размеров поперечного сечения. Достижение высокой точности профиля - неотъемлемый элемент комплекса мероприятий по обеспечению конкурентоспособности выпускаемой продукции. Существенной частью этой задачи является определение эффективных режимов настройки межвалковых зазоров и скоростей в непрерывных группах клетей сортовых станов, а также оперативная корректировка указанных режимов с учётом износа калибров, изменений марки стали, температуры полосы и диаметра валков. Считаем, что прокатка осуществляется в условиях поддержания минимальных межклетевых натяжений. Как известно, такой вариант технологии способствует повышению точности проката, поскольку исключает возможность значительных колебаний натяжений, ведущих к утяжке профиля или переполнению калибров.

Для решения задачи настройки матричный метод позволяет получить удобную модель. Она отображает процесс прокатки в непрерывной группе как поочерёдное формоизменение раската в каждой клети с возможными кантовка-ми между ними: ¿>г1 Кн |дч]

Следовательно, основным элементом модели является циклически повторяющийся матричный оператор [Д-]х[Дч], который выражает матрицу формоизменения в г-ой клети с учётом кантовки:

544ЖМ-!.

Матричный алгоритм формоизменения является ключевой частью структуры математической модели непрерывной группы сортового стана, ориентированной на настройку и корректировку зазоров по клетям в режиме реального времени (рис. 9). Информационную основу функционирования алгоритма составляют базы данных «по калибровке», «по износу», «по стану в целом» и др. , Эта информация входит составной частью в более крупную базу и банк данных, а алгоритмы формоизменения и настройки - в модуль моделирования физических процессов информационной системы анализа технологий (см. рис. 1). Алгоритм настройки служит для определения знака и величины изменений зазоров валков по клетям, обеспечивающих требуемую точность профиля, что осуществляется во взаимодействии е алгоритмом формоизменения металла. Для адаптации математической модели к, реальным производственным условиям предназначены четыре блока, учитывающих влияние основных изменяющихся величин (см. рис. 9).

Рис. 9. Структура математической модели непрерывной группы стана

Матричное представление формы калибров легко позволяет подробно описывать их износ по всему контуру: где а - вектор первоначального контура калибра; аи - вектор износа, характеризующий приращение длины каждого луча; ¿у - вектор контура изношенного калибра на стадии износа /.

Данные многочисленных исследований позволяют с небольшой погрешностью принять линейную зависимость между величиной износа и массой прокатанного металла. Тогда с целью учёта износа при моделировании формоизменения можно ввести для каждого луча контура показатель единичного износа приращение длины, вызванное одной тонны проката) и сформировать соответствующий вектор ёи. Набор таких векторов для различных калибров и технологических условий хранится в базе данных. В предложенной модели предусмотрено после прокатки каждых 100 тонн металла рассчитывать и вводить поправки 5И1100=100ёа к векторам контуров калибров Ъу . Объём необходимой информации при этом можно значительно уменьшить, если учитывать симметрию износа левой и правой частей калибров, усреднять износ на верхнем и нижнем валках и соответственно рассматривать только одну четверть каждого контура.

Для получения зависимости формоизменения раскатов Из стали различных ' марок от температуры использовали первый инвариант II матрицы формоизменения. Поскольку по своему геометрическому смыслу ои однозначно связан с ущирением в калибре, то, описав влияние на величину I) температуры, можно учесть особенности формоизменения при возмущениях, последней. Привлекли и систематизировали результаты экспериментальных исследований применительно к разным системам калибров, в которых для различных марок стали и температур были установлены значения высотного обжатия и уншрения профилей. Далее рассчитали значения первого инварианта для двумерного (по высоте и ширине) векторно-матричного описания формоизменения. В конечном ' счёте в каждой системе калибров получили линейную температурную зависимость изменения первого инварианта: где А/ - изменение температуры (°С) относительно базовой (регламентированной технологической инструкцией);

К^<0 -г температурный коэффициент, зависящий от предела текучести стали: при су =240; 300; 430 Мпа К~ -0,0007; -0,0008; -0,0013 Соответственно.

Связь инварианта с пределом текучести прокатываемой стали нелинейная. Например, при указанных выше значениях <УТ и температуре 1016°С имеем 11=1,937; 1,956; 1,991. Используя в соответствующих блоках математической модели линейную температурную зависимость первого инварианта и набор его значений для разных марок стали, корректируют матрицы формоизменения.

На основе опыта работы сортопрокатных станов ОАО «ММК» установили также влияние изменения диаметра валков АО на первый инвариант: где Кв - коэффициент влияния изменения диаметра. Для черновой группы стана 250-2 нашли: номер клети значение Кв 0,002 0,0034 0,0036 0,0059 0,0039 0,001 По приведенной зависимости уточняют инварианты при расчёте формоизменения металла в клетях с отклонениями диаметра валков.

Разработанная матричная модель настройки и корректировки процесса прокатки была реализована в непрерывной черновой группе клетей стана 250-2. В качестве примера её использования представлены параметры подстройки после прокатки 500 тонн металла, а также для компенсации изменений важных технологических факторов - температуры прокатки, марки стали, геометрии валков в связи с переточкой (табл. 3, 4). Многовариантные исследования раз-■ яичных сочетаний клетей при настройке показали, что клети с равноосными калибрами не оказывают существенного влияния на процесс коррекции. Стабилизации профиля в непрерывной группе можно достичь, настраивая только клети с неравноосными калибрами при любых причинах отклонения геометрических размеров.

5. Совершенствование и развитие технологических комплексов

4-6,7-10,15-17,20,23,24,28-45]

Представленная выше методология анализа сквозных технологий и управления качеством продукции, а также необходимая для её реализации совокупность математических моделей послужили научной основой создания пакета

Таблица

Корректировка зазоров в клетях черновой группы стана 250-2 при износе калибров (500 тонн проката)

Ситуация Клети черновой группы

Начальный зазор, мм 11,0 7,0 11,0 5,0 7,0 5,

Изменение зазора при настройке всех клетей, мм -1Д + 0,1 -2,1 +0*1 -1,2 -0,

Изменение зазора при настройке неравноосных калибров, мм -0,2 - -0,2 - -0,3 -0,

Таблица

Характеристика режимов настройки черновой группы

Технологические ситуации Все калибры Только равноосные Только неравноосные

Число настраиваемых клетей Суммарное изменение зазора, мм Число настраиваемых клетей Суммарное изменение зазора, мм Число настраиваемых клетей Суммарное изменение зазора, мм

Снижение температуры нагрева на 50° С 5 0,6 2 2,1 3 0,

Переход на переточенные валки минимального диаметра 5 . 0,8 2 2,7 3 0,

Износ калибров при прокатке 950 тонн профиля 6 2,0 3 Настройка невозможна 3 1,

Переход на прокатку стали 60 после стали 3 5 V 8,1 2 Настройка невозможна 3 6, технических и технологических решений. В связи с осуществлением цели настоящей работы они направлены на:

- совершенствование отдельных переделов системы «сталь-прокат-металлопродукция»;

- развитие в целом входящих в эту систему технологических комплексов - листопрокатных, сортопрокатного и производства изделий из стального проката.

Исследование процесса структурообразования в условиях широкополосной горячей прокатки позволило улучшить деформационные и температурно-скоростные режимы на станах 2500 и 2000. В частности, на первом из них для производства ответственной продукции - подката для автолиста из стали марки 08Ю - установили предпочтительные области значений величин, существенно влияющих на потребительские свойства (рис. 9). Эта информация является нормативной базой дня оперативной коррекции технологических режимов в зависимости от содержания в стали углерода и алюминия. На обоих станах решена важная технологическая задача улучшения качества полос углеродистой стали толщиной 4-16 мм за счёт совместного повышения предела прочности на ,7-10%, относительного удлинения на 3-5 % и ударной вязкости на 1014 %.Сущностъ найденного решения заключается в оптимизации взаимосвязанной совокупности величин - температур и обжатий в чистовых клетях и температур конца прокатки - с учётом углеродного эквивалента стали. В результате достигается положительное влияние на механизмы й кинетику распада аустенита, что облагораживает микроструктуру и повышает механические свойства металла.

Подобного же рода мероприятия разработаны и осуществлены на станах сортопрокатного комплекса ОАО «ММК»: непрерывно-заготовочном 530, про. волочном 250-2, мелкосортных 250-1 и 300—1. Возможности анализа и целенаправленной коррекции технологических режимов для получения "требуемых потребительских свойств сортового проката обеспечиваются результатами моделирования НДС и процесса формирования механических характеристик. Кроме

Диапазон температур начала прокатки

Диапазон температур смотки

Диапазон температур'конца прокатки

Скорость охлаждения в интервале температур: ^ <: < Аг

У<»ш -1 -93(1 ООС)0"4, град/с

Рис. 9. Нормативные диапазоны технологических параметров при горячей прокатке полос из стали 08Ю на стане того, использование матричных моделей формоизменения позволило найти и внедрить улучшенные калибровки валков на указанных станах. При этом коэффициент технологичности увеличился: на НЗС 530 с 0,55 до 0,64, на стане 2501 с 0,54 до 0,60, на стане 250-2 с 0,52 до 0,57; энергозатраты соответственно снизились на 14-9 %. Применение также матричной модели настройки непрерывных групп клетей и корректировки режимов прокатки способствовало повышению точности профилей. В целом улучшение качества сортового проката за последние 1,5 года характеризуется снижением брака на 17 %.

В действующем листопрокатном комплексе «кислородно-конвертерный цех (ККЦ) - цех горячей прокатки с широкополосным станом 2000 (ЛПЦ 10) -цех холодной прокатки с непрерывным станом 2500 (ЛПЦ 5)» внедрена информационная система анализа сквозных технологий. Она формирует обширную технологическую базу данных с выдачей текущих значений основных величин персоналу. В частности, на стане 2000 через информационные рабочие окна (экраны дисплеев) системы осуществляется просмотр ряда фиксируемых параметров прокатки - таких, как:

- величина зазоров между валками по клетям;

- ток и напряжение двигателя главного привода, скорость и усилие прокатки в последней клети (№ 13);

- усилие противоизгиба в той же клети;

- количество и расположение включённых секций душирования на отводящем рольганге;

- температура прлосы за клетями №№ 2,6 (на выходе из чановой группы), 13 и при смотке, а также интервалы температуры партии полос в указанных зонах.

При выработке экспертных оценок для базы знаний этой системы применяется предложенная нами модель формирования структуры и механических свойств проката. Результаты работы системы постоянно используются для оперативной коррекции технологических процессов с целью сокращения простоев и уменьшения потерь от отклонений состава сырья, характеристик полупродукта, сбоев в работе оборудования. Внедрение информационной системы способствовало увеличения на ОАО «ММК» выпуска стального проката в первом полугодии 1998 г. на 10,5 % по сравнению с первым полугодием 1997 г., причём доля листа в структуре товарной продукции возросла, брак на листовых станах снизился в среднем на 8 %, и экономические показатели - себестоимость, рентабельность - улучшились.

Важнейшим этапом развития прокатного производства ОАО «ММК» является осуществление проекта цеха холодной прокатки со станом 2000 (ЛПЦ 11) -крупнейшего для металлургии России. Этот цех представляет собой логическое завершение нового листопрокатного комплекса «ККЦ - ЛПЦ 10 -ЛПЦ 11». При проектировании использована в экспертном режиме та часть информационной системы анализа, которая работает на четвёртый выход базы данных - блок новых технологий. Выполнили обширное исследование возможных вариантов современного оборудования, новейших технологических схем и режимов. При этом прогнозировали основные характеристики качества холоднокатаного листа - точность геометрии, структуру, механические свойства, состояние поверхности. В результате предложен проект, предусматривающий новый способ передачи горячекатаных полос из ЛПЦ 10 в ЛПЦ 11 (см. ниже), установку крупнейшего травильно-прокатного агрегата для обработки бесконечной полосы, применение высотных промежуточных складов и др. Его реализация обеспечит получение холоднокатаного листа, отвечающего по качеству Мировым стандартам. Ввод в действие стана 2000 резко повысит технико-экономические показатели листопрокатного производства комбината. Выпуск холоднокатаного листа увеличится с 1,3 до 2,7 млн. тонн, а товарного горячекатаного, который значительно дешевле (более чем на 100 долларов за тонну), со, ответственно снизится. В связи с этим общая эффективность листопрокатного комплекса возрастёт в 2,5-3,0 раза, тогда как объём инвестиций на строительство нового стана 2000 составляет только около 30 % всей стоимости комплекса.

Большое значение для ресурсосбережения и, следовательно, снижения издержек производства и повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции имеет улучшение системообразующих связей между отдельными переделами указанного листопрокатного комплекса. Разработаны технические решения, которые позволят осуществить гибкую схему энергосберегающей технологии. Они основаны на двух аспектах: хвостовая часть предыдущего передела совмещена с головной частью последующего, транспортирующие устрой' ства между переделами одновременно являются агрегатами по подготовке промежуточного продукта к последующей обработке.

Связь ККЦ с ЛЕЩ 10 (рис. 10) выполнена таким образом, что склады слябов двух цехов совмещены и отводящие рольганги, расположенные за МНЛЗ 1 и рольганг-тележкой 2, одновременно являются посадочным 7 и предстановым 3 рольгангами. При высоком темпе прокатки обеспечивайся постоянный горячий посад - слябы рольганг-тележкой и посадочным рольгангом подают в ме- • тодические печи 5, а затем на стан 2000 (в черновые клети 6). Транспортные средства 9 могут направлять слябы на склад для отгрузки на сторону или в случае задержек процесса прокатки - в термос-накопитель 8. При низком темпе осуществляется прямая прокатка с подачей полупродукта в клети предстановым рольгангом через проходную подогревательную печь 4. Предложенная схема рвязи обеспечивает максимальную долю прямой прокатки и горячего посада слябов в печи стана. Производственные площади существенно экономим за счёт объединения складов двух цехов и транспортных средств.

Разработанная схема связи ЛИЦ 10 и ЛПЦ11 (рис. 11) также предусматривает совмещение складов горячекатаных рулонов. Оборудование головной чао ти непрерывно-травильного агрегата (разматыватёлй 2, окшиноломатель 3, ' правильная машина 4, ножницы поперечной резки 5, стыкосварочная машина 6) размещено за конвейером 1 горячекатаных рулонов на «горячем» участке склада. Передача металла к травильным ваннам (через йзгибно-растяжную машину 8) и далее на стан холодной прокатки 10 производится бесконечной поло

Рис. 11. Схема участка передачи горячекатаных рулонов со склада ЛПЦ-10 к травильным ваннам ЛПЦсой с использованием петлевого устройства 7, установленного на напольной эстакаде выше технологической линии. В результате из состава цехов исключается межцеховой конвейер рулонов и другое оборудование ориентировочной массой 3,5 тыс. тонн. Производственная площадь уменьшается приблизительно на 10 тыс. м2. Кроме того, благодаря экранирующему действий напольной эстакады в цехе холодной прокатки улучшаются санитарные условия по запылённости и тепловыделениям.

В целом по комплексу совмещение ряда технологических, складских и транспортных операций существенно (почти на четверть) снижает площадь застройки, сокращает расход энергии на производство, значительно уменьшает капитальные и эксплуатационные затраты.

С использованием информационной системы анализа разработана концепция развития сортопрокатного комплекса. Она предусматривает следующую поэтапную замену устаревших технологических процессов и оборудования на современные высокоэффективные, гарантирующие производство конкурентоспособной продукции:

1 этап - ввод в действие агрегата внепечной обработки жидкой стали «печь-ковш» и МНЛЗ-1 на выпуск 1 млн. тонн заготовок в год, работающей параллельно с блюмингом (552 тыс. тонн в год);

2 этап - замена части мартеновский печей шахтной кольцевой электропечью «Фукс», выплавляющей 1 млн. тонн стали в год И питающей МНЛЗ-1 через агрегат «нечь-коиш>;

3 этап - замена станов 250-1,2 и 300-3 на выходе линии «электропечь -агрегат «печь-ковш» - МНЛЗ-1» универсальным мелкосортно-проволочным станом (МСПС) с годовым производством 1 млн. тонн проката;

4 этап - замена оставшихся мартеновских печей и блюминга второй линией «электропечь - агрегат «печь-ковш» - МНЛЗ-2» с выплавкой в каждой линии 858 тыс. тонн стадии суммарным выпуском 1660 тыс. тонн заготовок в год;

5 этап - замена станов 500 и 300 -1 на выходе второй линии одним сортовым сганом с годовым производством 600 тыс. тонн.

-:'■ -46

Указанные объёмы производства учитывают реальные запросы внутреннего и внешнего рынков, причем более половины этих объёмов составляют потребности Челябинской области, в том числе метизно-металлургического и калибровочного заводов г. Магнитогорска. Ввод сортопрокатного комплекса в строй позволит:

- уменьшить текущие материальные и энергетические затраты, повысить ■ надёжность технологическогот^кщесса;

- получить мировой уровень качества готовой продукции;

- расширить рынки сбыта.

Совершенствование процессов горячей и холодной прокатки листовой стали, обеспечившее возможность получения продукции с требуемыми высокими показателями качества, дало предпосылки к созданию и развитию на ОАО «ММК» технологий глубокой переработки металла. Освоено производство из листового проката способами обработки металлов давлением ряда новых для комбината высоколиквидных изделий, рентабельность которых в 1,6 раза выше 1 рентабельности исходного продукта. Это направление представлено:

- развитием производства гнутых профилей с использованием станов «15», «0,5—2,5», «1-4», «2-8», сортамент которых в настоящее время доведен до 530 позиций и включает высокоэффективную продукцию, в частности - специальные гофрированные профили большой ширины, пять типов высоколиквидных профилей дорожных ограждений ивового уровня и т.д.;

- двумя действующими станами для получения прямошовных труб диаметром от 15 до 89 мм и толщиной стенки от 1,4 до 4,0 мм с достигнутым годовым производством 28 тыс. тонн и монтируемым трубным станом «40-140» на производство 120 тыс. тонн в год;

- производством штампованных изделий в линии средней и тонколистовой холодной штамповки в составе четырех прессов усилиями от 315 до 800 тонн для автомобилестроения, сельского хозяйства й других отраслей;

- проектом линии с двумя станами для изготовления спиральношовных труб диаметром 1220-1420 мм, толщиной стенки до 25 мм, комплексом оборудования для их отделки, контроля и двух- трёхслойного антикоррозийного покрытия на годовое производство до 120 тыс. тонн;

- технологией получения высокопрочной упаковочной холоднокатаной ленты размерами (0,6-1,2)х(9-32) мм в количестве до 25 тыс. тонн в год;

Предложенные в работе технические и технологические решения по совершенствованию и развитию системы «сгаль-прокат-металлопродукция» (табл. 5) подкреплены пакетом изобретений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами России.

В виде итоговых результатов внедрения предложений работы на действующих технологических комплексах - листопрокатном, сортопрокатном и производства металлопродукции - следует отметить в течение последних полутора лет рост суммарных объёмов производства на 10—12 %, увеличение производительности труда на 29,5 %, снижение себестоимости продукции на 2,8 %, возрастание её рентабельности (в том числе, и за счёт улучшения качества) на 2,9 %. Повышение качества продукции характеризуется также снижением брака в среднем - на сортовых станах на 17 %, на листовых на 8 %.