УДК 621.771.23
ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТОЛСТОЛИСТОВОЙ ПРОКАТКИ
© Салганик Виктор Матвеевич, д-р техн. наук, проф.; Полецков Павел Петрович, д-р техн. наук, проф., e-mail: pavel_poletskov@mail.ru; Чикишев Денис Николаевич, канд. техн. наук, e-mail: chikishev_denis@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова». Россия, г. Магнитогорск Денисов Сергей Владимирович, д-р техн. наук, e-mail: denisov.sv@mmk.ru; Стеканов Павел Александрович, e-mail: stekanov.pa@mmk.ru ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Россия, г. Магнитогорск Статья поступила 26.06.2013 г.
В обзорном виде рассмотрены сущность, достоинства и недостатки двух основных видов моделирования процессов - математического и физического. Дана информация о новом лабораторном комплексе «Термодеформ МГТУ» для разработки и исследования химических композиций низколегированных сталей и режимов их горячей прокатки. Представлена краткая характеристика основного оборудования лабораторного комплекса и его исследовательские возможности.
Ключевые слова: лабораторный комплекс «Термодеформ МГТУ»; химическая композиция; низколегированная сталь; горячая прокатка; математическое и физическое моделирование; многофакторный процесс; обработка металлов давлением; адекватность; фрагментарное моделирование; выплавка стали; деформация; ускоренное охлаждение; механические свойства.
Моделирование давно стало основным научным методом исследования процессов, в том числе технологических. С относительно малыми затратами труда и времени оно позволяет описать сложный процесс, выявить его параметры и диапазоны изменения, оценить влияющие факторы и их значимость, выделив наиболее сильные. Моделирование — мощный инструмент не только исследований процесса, но и, что особенно важно, его преобразования и совершенствования [1, 2]. Сейчас в интенсивном потоке научной информации, наверно, невозможно найти работы, где бы не использовалось моделирование, даже если авторы не называют свою методику моделированием (как тот персонаж, который не знает, что говорит прозой).
Особенно широко модели и моделирование используют при исследовании сложных многофакторных процессов, к которым относится обработка металлов давлением, и в частности, пластическое формоизменение. Классификация применяемых при этом моделей весьма обширна и многовариантна [3, 4]. Главным образом применяются два типа моделей: математические (аналитические, теоретические, феноменологические), которые реализуются, как правило, с помощью компьютерных программ, и физические, представляющие реальный процесс в силь-
но уменьшенных масштабах, часто с некоторыми упрощающими преобразованиями [5, 6].
Математическая модель — это набор всевозможных теоретических средств (формул, таблиц, диаграмм, схем и др.), которые описывают интересующий процесс комплексно или фрагментарно. Важными этапами создания такой модели являются анализ имеющихся разработок, выбор методики описания, которая может быть чисто аналитической, частично включать экспериментальные данные или целиком базироваться на опытной информации. Выбор методики относится к наиболее важным этапам моделирования. В конечном счете, от него зависят адекватность и точность модели, ее сложность и трудоемкость. Финишный этап, как правило, заключается в компьютерном программировании решенной задачи, что для сложных моделей может вылиться в самостоятельную проблему. Использование математического моделирования для исследования технологических процессов [7, 8] обусловлено относительной доступностью создания математических моделей, ^ хотя сложные модели требуют больших затрат ™ и времени для их построения, но не нуждаются ^ в специальном аппаратном оснащении кроме ^ наличия компьютерной системы определенной ^ мощности и параметров. Сегодня такими сис- Ц темами обладают практически любые проект- |
ные организации, производственные учреждения и вузы.
Однако математическая модель не дает явного ответа на вопрос об адекватности. Этот вопрос требует дополнительного изучения и, как правило, выполнения специальных производственных экспериментов. Без положительных результатов проверки адекватности модели невозможно заключение о ее доброкачественности и допустимости применения. Особенно это относится к сложным технологическим процессам прокатного производства [9, 10]. Адекватность - это «ахиллесова пята» математического моделирования, которая может свести на нет такое важнейшее его достоинство как доступность.
Новые возможности по сравнению с математическим открывает физическое моделирование. Сущность его заключается в физическом воспроизведении исследуемого процесса фрагментарно или целиком, комплексно. Однако физическое моделирование требует создания специальных экспериментальных установок, сочетающих как возможность моделирования
Рис. 1. Общая структура лаборатории ТД моделирования технологических процессов толстолистовой прокатки
Рис. 2. Сталеплавильная печь с двумя плавильными узлами
Рис. 3. Печь нагревательная
определенных производственных операции, так и большоИ объем измерении необходимых параметров процесса. В результате попытка реализации сложного технологического процесса сводится к необходимости многомиллионных затрат, что весьма проблематично [11, 12]. Не случаино в нашеи стране отсутствуют достаточно подробные физические модели станов горя-чеИ прокатки, хотя в мире (Германия, Япония, США) таких моделеИ на самом высоком техническом уровне существует немало.
Наибольший интерес в плане физического моделирования процессов прокатки представляют новые объекты ОАО «ММК» - толстолистовой стан 5000 и стан бесконечной холодной прокатки 2000. Однако это совершенно разные технологические линии со своими особенностями и сложностями. Поэтому и их физические модели должны существенно отличаться друг от друга. В связи с этим рассмотрим процесс моделирования одного из крупнейших объектов современной техники - толстолистового стана 5000. Анализ показал, что подробное моделирование всего стана весьма затратно и экономически нецелесообразно [13, 14]. Здесь наиболее эффективно фрагментарное физическое моделирование. Его сущность заключается в воспроизведении (не обязательно буквальном) такого моделирующего оборудования, которое позволит имитировать самые важные технологические операции.
Для фрагментарного физического моделирования процессов, реализуемых на стане 5000 ОАО «ММК», была создана лаборатория «Термо-деформ МГТУ» (рис. 1). Она включает следующее основное оборудование:
- сталеплавильную печь с двумя плавильными узлами (рис. 2);
- печь для нагрева выплавленной заготовки (рис. 3);
- пресс 250 т для деформационной обработки заготовок (рис. 4);
- систему ускоренного контролируемого охлаждения заготовок (рис. 5).
Перечисленное оборудование позволяет моделировать основные технологические операции толстолистовой прокатки:
- выплавку стали заданного химического состава (в основном - низколегированной), ее разливку в сталеплавильных печах и получение заготовки массой 30 кг;
- нагрев полученной заготовки в специальной печи перед деформационной обработкой;
О •
-
Рис. 4. Пресс для деформационной Рис. 5. Система ускоренного
обработки заготовок контролируемого охлаждения
— деформацию заготовки по высоте с 300 до 100 мм на прессе, моделирующую формоизменение при прокатке;
— ускоренное охлаждение деформированной заготовки по заданному режиму; изготовление из обработанной заготовки образцов;
— исследование механических свойств образцов, их анализ и обобщение данных моделирования.
С применением оборудования лабораторного комплекса изготовлены образцы с реализацией различных температурно-деформационных режимов. Технология предусматривает двухста-дийную контролируемую деформацию исходной заготовки высотой 300 мм до конечной толщины и ускоренное охлаждение раската до требуемой температуры. В результате получены образцы, из которых можно изготовить в том числе и полноразмерные пробы для испытаний падающим грузом.
Сравнение механических свойств образцов стали позволяет определить возможность обеспечения пониженной хладостойкости проката благодаря применению технологии двойного нагрева.
Лаборатория «Термодеформ МГТУ» предоставляет широкие возможности исследования, проектирования и совершенствования технологических режимов толстолистовой прокатки — от варьирования химического состава выплавляемой стали до комплекса механических свойств готовой продукции.
Создание нового лабораторного комплекса — результат большой работы по развитию лабораторного оснащения. За последние годы кафедра израсходовала на материально-техническое осна-шение более 10 млн руб. и интенсивно продолжает эту важную и необходимую для развития ис-
следований работу. Приобретено оборудование для имитации широколосовой и толстолистовой прокатки. Всего для новейших станов выполнено порядка 15 работ, и сотрудничество с производством продолжает развиваться. Лабораторный комплекс «Термодеформ МГТУ» открывает возможность значительно быстрее выбирать, проверять и совершенствовать эффективные режимы работы и оперативно находить обоснованные ответы на сложные технологические вопросы.
Особо хотелось бы отметить наиболее значимые результаты выполненных работ, которые разработчики посвящают 80-летию нашего университета.
Успешно выполнена НИР по увеличению доли вязкой составляющей при ИПГ проката путем реализации двухстадийной контролируемой деформации. Эта работа определила пути дальнейшего исследования по улучшению свойств металлопроката. Проведена исследовательская работа по определению химического состава стали типа Б700 для последующей холодной штамповки деталей грузовых автомобилей, позволившая уменьшить риск получения несоответствующей продукции и повысить стабильность промышленного производства Магнитогорского металлургического комбината.
Адаптационный лабораторный комплекс постоянно модернизируется и расширяется. Смонтирован листовой стан 500 горячей и холодной прокатки, с которым совмещена установка ускоренного охлаждения ламинарного типа. Нов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.