научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОШИВКИ НА ПРОШИВНОМ СТАНЕ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОШИВКИ НА ПРОШИВНОМ СТАНЕ»

УДК 621.774.3

ПРИМЕНЕНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОШИВКИ НА ПРОШИВНОМ СТАНЕ

© Топоров Владимир Александрович, e-mail: ToporovVA@stw.ru; Степанов Александр Игоревич, канд. техн. наук; Панасенко Олег Александрович; Ибрагимов Павел Александрович

ОАО «Северский трубный завод». Россия, г. Полевской Свердловской обл. Статья поступила 25.05.2014 г.

СЕВЕРСКИЙ

ТРУБНЫЙ ЗАВОД

Авторами проведена оценка сходимости результатов прошивки непрерывнолитых заготовок на прошивном стане с фактическими показателями процесса методом конечных элементов. Разработаны инструмент прошивного стана, позволивший получать тонкостенные гильзы, и программное обеспечение для оценки оптимальности параметров настройки прошивного стана.

Ключевые слова: непрерывнолитая заготовка; прошивной стан; тонкостенная гильза; метод конечных элементов.

В настоящее время для Северского трубного зав ода все более актуальной становиться задача снижения себестоимости производимых труб, успешное решения которой во многом зависит от эффективности применяемой на предприятии технологии и скорости освоения выпуска новой продукции.

Для производства новой продукции ведется реконструкция прошивного стана (производства ОАО «ЭЗТМ») для гильз и установка в трубопрокатном цехе № 1 непрерывного стана FQM. Однако проведение экспериментальных работ на существующем стане затруднено из-за максимальной его загрузки. Поэтому, как на большинстве предприятий России и мира, решено было использовать современные программы, позволяющие моделировать с высокой точностью формоизменение металла, распределение деформаций и напряжений как в деформируемой заготовке, так и в рабочих инструментах (валках, оправке, линейках), испытывающих значительные нагрузки.

Использование подобных систем для Северско-го трубного завода особенно актуально, так как в настоящее время ведется реконструкция трубопрокатного производства.

Одна из основных задач реконструкции - адаптация прошивного стана для прокатки гильз на непрерывном стане.

Для совмещения указанного оборудования необходимо было выполнить следующие работы:

- разработать калибровку технологического инструмента;

- подобрать технологические параметры настройки прошивного стана;

- определить «узкие» места прокатки гильз на прошивном стане с целью обеспечения контрактной производительности непрерывного стана.

Для моделирования процессов производства труб в условиях завода была приобретена лицензия на использование программного комплекса QForm 7, который хорошо зарекомендовал себя в промышленности в мире и в России. Для оценки сходимости результатов моделирования в QForm 7 процесса прокатки непрерывнолитых заготовок на прошивном стане с фактическими параметрами этого процесса в условиях участка горячего проката труб ТПЦ-1 СТЗ были созданы модели:

- прогнозирования нештатных ситуаций при прошивке непрерывнолитых заготовок;

- сходимости геометрических параметров гильз, полученных моделированием в QForm 7 и на прошивном стане.

Для прогнозирования нештатных ситуаций при прошивке непрерывнолитых заготовок проверку сходимости результатов моделирования в QForm 7 и эксперимента было решено провести моделирование методом конечных элементов (МКЭ). При проведении эксперимента были получены две нештатные ситуации:

- образование ленты в очаге деформации прошивного стана (рис. 1), что явилось следствием неправильно выбранного рабочего профиля оправки прошивного стана: большого зазора между валками и линейками и острых кромок самих линеек;

Рис. 1. Лента, изъятая из барабана валка прошивного стана

Рис. 2. «Закат» заднего конца гильзы

- «закат» гильзы в конце цикла прошивки (рис. 2) из-за смятия гильзы на выходе из стана и затекания металла между линейкой и валком из-за слишком большого расстояния между ними.

С помощью системы трехмерного моделирования «КОМПАС-3Э» была построена трехмерная модель инструмента прошивного стана, геометрические параметры которого соответствовали геометрическим параметрам инструмента, установленного на прошивном стане во время проведения эксперимента. Полученная модель была передана в программное обеспечение QForm 7, в котором выполнили пространственное ориентирование инструмента в соответствии с параметрами настройки инструмента прошивного стана во время проведения эксперимента и смоделировали процесс прокатки. Результаты моделирования приведены на рис. 3 и рис. 4.

Моделирование показало идентичную аварийную ситуацию, что подтверждает достаточную достоверность результатов прогнозирования нештатных ситуаций при освоении нового вида продукции с использованием QForm 7.

Следующим шагом стала проверка сходимости геометрических параметров гильз, полученных моделированием в QForm 7, и на прошивном

стане ОАО «ЭЗТМ». Для этого были смоделированы технологические испытания, целью которых было получение из заготовки диам. 360 мм гильзы наружным диам. 370 мм и внутренним диам. не менее 245 мм для обеспечения зарядки в нее оправки максимальным диам. 239 мм для прокатки труб диам. 245 мм.

Была построена модель непрерывнолитой заготовки и инструмента прошивного стана, геометрические параметры которого соответствовали геометрическим параметрам прошивного стана. Пространственное ориентирование инструмента прошивного стана было выполнено в соответствии с технологическими настройками прошивного стана во время проведения технологических испытаний.

Замеры полученных геометрических параметров гильз проводились в соответствии со схемой, показанной на рис. 5, а результаты сведены в таблице (где методика определения 1 - техно-

Рис. 3. Потеря устойчивости профиля гильзы (слева); образование ленты (справа)

Рис. 4. Смятие гильзы в очаге деформации (слева); затекание металла между линейкой и валком прошивного стана (справа)

215°

225°

45°

135°

КЧ1ЧЧЧЧЧЧ ЧЧЧЧЧЧ^

ЧЧЧЧЧЧЧ1

180°

Рис. 5. Схема замера геометрических параметров гильз

0

а

270

90° нар

Геометрические параметры гильзы

Методика определения Расстояние Наружный Толщина стенки (мм) в точках измерения (см. рис. 5)

от переднего конца гильзы, мм диаметр, мм (средний) 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° мин. макс. ср. разностен-ность

1 500 371,05 61,1 61,2 62,1 63,0 63,5 62,8 63,2 62,4 61,1 63,5 62,4 2,4

2 372,84 61,5 61,1 61,3 62,6 61,7 61,3 61,7 61,7 61,1 62,6 61,6 1,5

1 1100 370,86 62,5 61,5 62,3 62,3 63,3 63,0 63,5 63,9 61,5 63,9 62,8 2,4

2 370,21 61,8 61,4 61,0 61,1 61,6 61,9 63,1 62,6 61,0 63,1 61,8 2,1

1 1700 370,24 63,1 64,0 63,6 63,0 63,1 62,5 62,8 63,1 62,5 64,0 63,1 1,5

2 370,1 62,6 64,0 63,5 62,4 62,8 61,9 62,4 62,5 61,9 64,0 62,8 2,0

1 2300 370,45 62,8 62,7 63,1 63,0 63,4 63,1 62,8 62,2 62,2 63,4 62,9 1,3

2 370,18 62,4 62,4 63,0 62,5 62,9 62,7 62,6 61,7 61,7 63,0 62,5 1,3

1 2900 370,94 62,2 62,0 62,9 63,1 63,0 63,2 62,7 62,6 62,0 63,2 62,7 1,3

2 370,3 61,7 61,5 62,7 62,8 62,6 63,0 62,6 62,2 61,5 63,0 62,4 1,5

Рис. 6. Разработанная линейка прошивного стана:

вид снизу (я); общий вид (б)

логические испытания, а 2 - моделирование МКЭ процесса прокатки на прошивном стане).

Из таблицы видно, что результаты, полученные при помощи МКЭ в QForm 7 практически не отличаются от результатов, полученных при технологических испытаниях:

- разница по среднему наружному диаметру не превышает 0,5%,

- по толщинам стенки - 2,0%.

Таким образом, была показана высокая степень сходимости результатов натурного эксперимента и конечно-элементной модели, построенной в QForm 7. Следующим шагом в применении приобретенной системы моделирования МКЭ стала разработка и апробация калибровки рабочего инструмента прошивного стана для прокатки гильз, необходимых для строящегося непрерывного стана FQM: валков, линеек и оправок.

Был разработан инструмент, позволивший получать тонкостенные гильзы с отношением D/S =16 на прошивном стане конструкции ОАО «ЭЗТМ», что не было предусмотрено начальным проектом этого стана. На рис. 6 показана линейка прошивного стана с асимметричным профилем для прошивки заготовок диам. 360 мм.

В ходе разработки калибровки рабочего инструмента прошивного стана были определены зависимости формоизменения металла в очаге деформации от параметров настройки прошивного стана при варьировании в рабочих диапазонах следующих параметров:

- расстояние между валками в пережиме очага деформации;

- расстояние между линейками в пережиме очага деформации;

- угол подачи;

- угол раскатки;

- диаметр и рабочая длина оправки;

- выдвижение оправки за пережим.

По этим данным были получены уравнения регрессии размеров наружного диаметра и толщины стенки гильз в зависимости от параметров настройки прошивного стана, которые были положены в основу математической модели, используемой программой «Настройка прошивного стана», реализованной на языке С++ (рис. 7). Программа «Настройка прошивного стана» помимо определения геометрических параметров гильзы позволяет определять также и другие немаловажные для производства параметры: успешное вхождение заготовки в валки прошивного стана, расстояние от точки захвата заготовки до носика оправки и обжатие перед носиком оправки.

а

Ukripspki npiaxiHKta «т»нх.

Р*ы fill* м X3f t, 19№*1 w№ Ч & ^

V'Wiei.-fc'rjpв«.-1.!* IMi 12

f 'I

Рис. 7. Настройка прошивного стана

Помимо численной индикации в программе реализована цветовая индикация - при выходе за рекомендованные диапазоны пользователь будет наблюдать окно программы (рис. 8).

Установка данной программы на прошивной стан для использования обслуживающим стан персоналом позволила значительно снизить уровень дефектности по «внутренней плене прокатной».

Заключение. В настоящее время все проекты научно-исследовательских работ, связанных

Рис. 8. Окно «Настройка прошивного стана» с неоптимальной настройкой прошивного стана

с реконструкцией прошивного стана, сначала проходят проверку в QForm 7 и только после получения положительных результатов рекомендуются к внедрению в производство. Такое построение рабочего процесса дает возможность избежать экономических потерь при разработке нового технологического инструмента, апробации новых

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»