Разработка обобщенной модели процесса продольной резки рулонной стали

УДК 669

Е.С. Федотов, А.В. Колобов, А.И. Виноградов, Н.Л. Лисунец, А.Г. Радюк

РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРОДОЛЬНОЙ РЕЗКИ РУЛОННОЙ СТАЛИ*

В настоящей статье рассмотрены основные геометрические параметры резаной кромки штрипса и выделены наиболее значимые технологические факторы, влияющие на качество кромки. Представлены результаты исследований в виде статистической модели, основанной на экспериментальных данных, полученных при порезке штрипса толщиной 3 - 16 мм на агрегате продольной резки (АПР) 2000x3,0-16,0 ЗАО «Северсталь ТПЗ-Шексна».

Штрипс, агрегат продольной резки, резаная кромка, статистическая модель, продольная резка.

Main geometrical parameters of slit edge of tube strip and main technological factors influencing the quality of slit edge are considered in the article. A statistical model based on experimental data obtained when cutting strips from 3mm to 16mm thickness on Slitting Line 2000x3,0-16,0 CJSC “Severstahl TPZ-Sheksna” is presented in the article.

Tube strip, slitting line, slit edge, statistical model, slitting.

Продольная резка рулонной стали на штрипсы, являющиеся заготовкой для электросварных прямошовных труб, производится в дисковых ножах на агрегате продольной резки. На процесс продольной резки и качество резаной кромки

штрипса оказывает влияние много факторов. Основными из них являются технологические

настройки агрегата продольной резки и

механические свойства исходной горячекатаной полосы. По причине большого количества факторов и сложности подбора их оптимальных численных значений с целью получения качественной резаной кромки возникла необходимость в разработке математической модели резки штрипса для производства электросварных труб.

Резаная кромка штрипса характеризуется

следующими основными качественными

параметрами (рис. 1): Нпл - высота зоны чистого реза (гладкая блестящая поверхность), мм; Нотр - высота поверхности отрыва (матовая ровная поверхность), мм; Нразр - высота поверхности разрушения (неровная поверхность, характеризующаяся вырывами металла), мм; Ву - ширина утяжины, мм; Ну - высота утяжины, мм; Нзаус - высота заусенца, мм; а - угол наклона резаной кромки, град; Втр -трапеция (разница минимальной и максимальной ширин штрипса - сверху и снизу).

Ву Ну

\//////^ Y ////// ,

Нпл

h Y/////A Н °отр

J/////A Нразр

\Й Нзаус

Г

/ „

Рис. 1. Качественные параметры резаной кромки: h - толщина штрипса, мм

Основные технологические факторы при резке полосового металла в дисковых ножах, определяющие качество резаной кромки, можно разделить на две группы: деформационно-

скоростные и геометрические. В построенной математической модели учтены основные деформационно-скоростные факторы (V - скорость движения полосы, м/мин; р - удельное натяжение на разматывателе, МПа) и геометрические факторы (5 -осевой зазор; п - перекрытие дисковых ножей) (рис. 2).

Осевым зазором между ножами 5 называется промежуточное расстояние между верхним и нижним ножами. Он имеет большое значение для чистоты и качества поверхности реза. Перекрытием между ножами п называется расстояние между режущими кромками верхнего и нижнего ножей на установившейся стадии разделения. Оно показывает, насколько режущая кромка верхнего ножа находится ниже режущей кромки нижнего ножа.

Значения утяжины и заусенца зависят от значения зазора между ножами (я), толщины проката, его прочности, а также качества материала [1]. Чтобы избежать образования большой утяжины в процессе резки и уменьшить до минимума трение ножей о прокат, следует устанавить такой осевой зазор, при котором трещины, расходящиеся от кромок ножей, встречаются кратчайшим путем [4].

Рис. 2. Чертеж набора дисковых ножей: 1 -дисковый нож; 2 - дистанционное кольцо; 3 -гуммированное дистанционное кольцо; п -перекрытие дисковых ножей; я - зазор дисковых ножей

Согласно [3], слишком маленький зазор приводит к образованию неровного реза и нечистой поверхности, а также увеличивает трение ножей по краю полосы. Из-за большего трения и утяжки материала возрастает усилие нажима, что приводит к более быстрому износу или выкрашиванию режущей кромки ножей.

Слишком большой зазор приводит к появлению заусенцев на пластичном материале или к неровному резу хрупких материалов. При этом образуется 5-образный излом с сильно шероховатой обрезной кромкой, и искривление кромки полосы увеличивается. При слишком большом зазоре также происходит быстрый износ дисковых ножей.

На качественные параметры резаной кромки штрипса, кроме технологических факторов настройки агрегата, значительное влияние оказывают механические свойства исходного горячекатаного рулона: ст, св - пределы текучести и прочности полосы; 5 - относительное удлинение полосы.

Большое количество факторов, варьируемых в широком диапазоне, создают сложности для корректного набора режущей оснастки и получения качественной резаной кромки штрипса. С целью сокращения общего числа и определения наиболее значимых факторов проведены статистические исследования влияния технологических настроек процесса резки на качественные характеристики реза. Исследования проводились на АПР 2000x3,0-16,0 ЗАО «Северсталь ТПЗ-Шексна». Исследованию

были подвергнуты факторы и параметры качества штрипса, полученные при порезке 170 рулонов в диапазоне толщин от 3,0 до 16,0 мм из марок стали стЗсп, 09Г2С, 17ГС и 10ХСНД.

Для количественной оценки зависимости факторов от толщины полосы и между собой были рассчитаны коэффициенты корреляции r [5]:

n

Ê(y- x ) (уi- у ) r = — 1 — ,

(у - x)2 (y - y)2

где xi, yi - i-е значение факторов х и у, i = 1, ..., n; x, у - средние значения факторов х и у.

На основании полученных данных построена матрица корреляции между всеми факторами и толщиной полосы (табл. 1).

В табл. 1 значение коэффициента корреляции более 0,30 говорит о наличии зависимости между факторами, при этом чем ближе значение коэффициента корреляции к 1, тем более сильная зависимость наблюдается между факторами. Знак «+» говорит о наличии прямой зависимости, знак «-» - об обратной зависимости. В табл. 1 цветом выделены значения коэффициентов корреляции, указывающие на сильную зависимость между факторами.

Известно, что механические свойства стали, такие как предел прочности, предел текучести и относительное удлинение, взаимосвязаны. Из табл. 1 видно, что наблюдается зависимость зазора s и перекрытия n от толщины полосы. Для устранения такой зависимости в дальнейшем целесообразно представлять зазор и перекрытие в относительном виде, используя безразмерные параметры s/h и n/h, а св исключить из факторов, так как предел прочности в основном влияет на усилие резания и изнашивание инструмента и в меньшей степени - на качество резаной кромки.

Известно, что одним из условий при построении регрессионных моделей является ограниченное количество оптимизируемых параметров [2]. В связи с этим из числа рассматриваемых параметров исключены следующие: поперечная утяжина Ву, продольная утяжина Ну, угол наклона резаной кромки а. Физические замеры Ву, Ну на готовом штрипсе затруднены из-за их малых значений. Угол наклона резаной кромки можно рассчитать по известным значениям толщины полосы h, пластического пояска Нпл и трапеции Втр. Поскольку рассматриваемые параметры имеют прямую зависимость от толщины полосы, их также удобно представлять в относительном виде. Для рассматриваемых параметров по формуле (1) рассчитаны коэффициенты корреляции и построена матрица корреляции (табл. 2).

В табл. 2 цветом выделены значения

коэффициентов корреляции, указывающие на

существенную зависимость между качественными параметрами реза.

Из табл. 2 видно, что параметры,

характеризующие качество реза по толщине полосы

Нпл / к, Нотр /к, Нразр / А, Нзаус / к), зависят друг от

друга. Это означает, что изменение одних параметров вызывает изменение других. Например, уменьшение поверхности отрыва Нотр /к происходит за счет увеличения поверхности разрушения Нразр /к. Кроме того, значение

Нзаус /А зависит от характеристик разрезаемого материала и износа режущей оснастки в переделах погрешности измерения. В этом случае из параметров, характеризующих качество реза по толщине полосы, достаточно исследовать один наиболее важный (например, поверхность отрыва Нотр /А), значение которого следует максимизировать. Оставшийся параметр Втр /А, независимый от остальных, характеризующий разницу полосы по ширине сверху и снизу, следует минимизировать.

Таблица 1

Матрица корреляции между факторами в абсолютном виде и толщиной полосы

Факторы ов, МПа ат, МПа 5, % 5, мм п, мм V, м/мин р, МПа А, мм

ов, МПа 1,00 0,87 -0,91 -0,53 -0,55 0,68 0,43 -0,65

от, МПа 1,00 -0,76 -0,57 -0,59 0,60 0,46 -0,68

5, % 1,00 0,30 0,30 -0,61 -0,29 0,44

5, мм 1,00 0,93 -0,60 -0,41 0,96

п, мм 1,00 -0,52 -0,55 0,95

V, м/мин 1,00 0,11 -0,66

р, МПа 1,00 -0,49

А, мм 1,00

Таблица 2

Матрица корреляции между параметрами реза

Параметры Втр / А Нпл / А Нотр / А Нразр / А Нзаус / А

А Л т сц 1,00 -0,16 0,17 -0,13 -0,03

Нпл / А 1,00 -0,63 0,36 0,20

Нотр / А 1,00 -0,95 -0,31

Нразр / А 1,00 0,30

Нзаус / А 1,00

Из исследуемых факторов характеристики горячекатаного подката ст и 5 являются неуправляемыми параметрами, поскольку задаются на предыдущих переделах. Скорость порезки полосы

V также является неуправляемым технологическим фактором, при порезке скорость задается согласно техническим характеристикам АПР 2000x3,0-16,0:

для толщины полосы к < 8,0 мм V = 100 м/мин; для к > 8,0 мм

V = 50 м/мин. Геометрические технологические факторы, зазор между ножами я, мм, и перекрытие ножей п, мм, а также натяжение полосы на разматывателе р, МПа, управляемы, и варьированием этих управляемых факторов можно

оптимизировать качественные параметры резаной кромки Втр /h и Нотр /h.

На основании обработки статистических данных получены регрессионные уравнения для расчета управляемых факторов (табл. 3).

Уравнения второго порядка для расчета управляемых факторов получены с использованием программы «Статистика». Для уравнений (1) - (3) коэффициент множественной корреляции составил от 0,7 до 0,908. Коэффициенты слагаемых в уравнениях показывают влияние каждого известного фактора на искомый фактор и представлены в общем виде, так как являются предметом патентной заявки. Геометрические параметры и известные факторы входят в каждое уравнение два раза (в первой и во второй степени). При этом значительно большее влияние на искомый фактор оказывают известные факторы во второй степени. Знак коэффициентов уравнения показывает влияние каждого известного фактора на искомый фактор. Данные уравнения могут применяться для расчета технологических факторов настройки агрегатов продольной резки при порезке горячекатаных рулонов в диапазоне толщин от 3,0 до 16,0 мм из стали марок стЗсп, 09Г2С, 17ГС и 10ХСНД.

По уравнениям (1) - (3) на базе Microsoft Excel разработана программа, позволяющая рассчитать управляемые факторы и параметры реза, интерфейс которой представлен на рис. 3.

-0,0076

-Ъ»тр, iVAiV-

0,6077

ІІШДННЇДІНН

h, мм 11 ш I:f і.; b p, мм _ 389/4

Зсп і Иї

Неуправляемые факторы

от , МПа — _L 5, % -

И 1 Ш 35 1 100

Урішшіфтір

П, ИМ 1 1 "" р.Мпа

.. s, мм 0,0070 1,7256

0,96 ИЯ|1Ш 80 )bl ptw

Ётр, мм Нотр, мм

J о,? pi Iі

b, мм

V, м/мин

р, МПа 1,7256

Рис. 3. Интерфейс программы расчета управляемых факторов и параметров реза

В поле «Исходные данные» оператором вводятся исходные данные по горячекатаному рулону: марка стали; толщина А, мм; ширина исходного горячекатаного рулона Ьр, мм; раскрой рулона (ширина штрипса Ь, мм/количество штрипсов). В поле «Неуправляемые факторы» оператор задает значения механических свойств рулона и скорости порезки. После ввода значений исходных данных и неуправляемых факторов производится автоматический расчет управляемых факторов (перекрытия п, мм; зазора 5, мм; натяжения разматывателя р, МПа) и качественных параметров реза - ширины трапеции Втр, мм, и высоты поверхности отрыва Нотр,

'тр,

мм.

В настоящее время полученные регрессионные уравнения и программа расчета управляемых факторов и параметров реза успешно применяются на прак-тике на АПР 2000x3,0-16,0 в условиях ЗАО «Северсталь ТПЗ-Шексна». Согласно данным отчетов по качеству, внедрение в производство разработанной программы расчета позволило снизить выпуск несоответствующей продукции АПР по дефектам качества резаной кромки в среднем на 250 т в месяц (1,65 % от общего производства продукции на АПР).

* Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Государственный контракт № 14.740.11.0835 от 1.12.2010).

•^отр? IViiVl

4,0783

Таблица 3

Уравнения для расчета управляемых факторов

п, мм

№ п/п Регрессионные уравнения Коэффициент множественной корреляции R

1 n/h = Ai + Ві Втр/h + Сі Нотр /h — D\ от + E\ 5 — F\ V — G\ (Втр/h)2 — H (Нотр /h)2 + + J1 от2 - K152 + L1 V2 0,908

2 s/h = — A2 + В2 Втр /h + С2 Нотр /h — D2 от — E2 5 + F2 V + G2 n /h — H2 (Втр /h)2 — - J2 (Нотр /h)2 + K2 От + L2 52 — M2 V2 — N2 (n /h)2 0,835

р — Аз + ВзВтр /А + Сз На1р /А + £>з ат + Ез 5 + V + Оз п /А - Нз 5 /А - Jз (Втр /А)2 -

3 0,7

- Кз (Нотр /А)2 - Ьз ат 2 - Мз 5 2 - N V 2 - Рз (п /А)2 + Тз (5 /А)2

Литература

1. Агрегаты для обрезки кромок листов и измельчения обрези / Экспресс-информация, черная металлургия, сер. прокатное производство. - М., 1985. - Вып. 22.

2. Винарский, М.С. Планирование эксперимента в технологических исследованиях / М.С. Винарский, М.В. Лурье. - Киев, 1975.

3. Охрименко, Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства / Я.М. Охрименко. - М., 1976.

4. Романовский, В.П. Справочник по холодной штамповке / В.П. Романовский. - Л., 1979.

5. Румшинский, Л.З. Математическая обработка

результатов эксперимента / Л.З. Румшинский. - М., 1971.