Применение принципов технологической адаптации при изготовлении холоднокатаной ленты для монетной заготовки

УДК 621.771.016

Телегин В.Е., Голубчик Э.М., Смирнов П.Н., Курбан В.В, Денисов С.В.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ХОЛОДНОКАТАНОЙ ЛЕНТЫ ДЛЯ МОНЕТНОЙ ЗАГОТОВКИ

Рассмотрены особенности технологии производства холоднокатаной ленты для монетной заготовки. Проанализированы возможности применения принципа технологической адаптации при конструировании многовариантной технологической системы. Представлены результаты исследований изменчивости качественных показателей ленты в зависимости от технологических факторов.

Ключевые слова: холоднокатаная лента, монетная заготовка, качество, твердость, шероховатость, адаптация.

The special features of the technology of the production of cold-rolled tape for the monetary billet are examined. The possibilities of applying the principle of technological adaptation with the construction of multivariant technological system are analyzed. The results of studies of the changeability of the quality indicators of tape in the dependence on the technological factors are represented.

Keywords: cold-rolled tape, monetary billet, quality, hardness,

На сегодняшний день, одним из широко востребованных видов металлопродукции, как правило, эксклюзивным для крупных металлургических предприятий является стальная холоднокатаная лента, используемая в различных отраслях народного хозяйства: автомобилестроении, строительстве, а также в производстве товаров народного потребления. Одним из примеров можно считать холоднокатаную ленту, предназначенную для высокоскоростной холодной вырубки монетных заготовок, производимую в ЛПЦ-8 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). В настоящее время все большее развитие получает ситуация, когда показатели качества выпускаемой ленты нормируются не только и не столько нормативными документами (стандартами), но также и дополнительными требованиями потребителей. При этом, зачастую требования потребителей либо не сочетаются с положениями стандартов, либо являются труднодостижимыми в процессе производства и переработки продукции с глубокой степенью переработки, к которой можно отнести и холоднокатаную ленту. Это диктует необходимость проведения оперативного анализа возможностей производства, поиска новых путей конструирования технологических схем изготовления такой продукции и, соответственно, разработки и активного внедрения новых подходов, например адаптационных моделей.

Отсутствие на отечественных металлургических предприятиях разработанных технологий производства ленты для монетной заготовки способствовало развитию ситуации в России с нехваткой десятирублевых монет, производство которых в массовом порядке началось с 2009 г. взамен снятых с производства бумажных купюр.

Данная лента должна обладать уникальным комплексом свойств, сочетающих ограниченный диапазон твердости HR15T в 72-76 единиц, низкую шероховатость поверхности Ra < 0,8 мкм, а также высокую точность изготовления по толщине 0 / -0,06 мм. Набор указанных жестко регламентированных свойств обусловлен следующим. Ограничение низких значений твердости связано с необходимостью снижения износа инструмента при чеканке готовых монет. Достаточно низкая шероховатость поверхности обусловле-

roughness, the adaptation.

на тем, что в процессе переработки в монетную заготовку лента подвергается операции нанесения покрытия (никелирование). Что касается высокой точности по толщине ленты, то данный аспект вызван предъявляемыми требованиями к массе и геометрии заготовки для монет.

Традиционные подходы к разработке технологии производства холоднокатаной ленты с указанным набором потребительских свойств в условиях многовариантных технологических систем, к которым можно отнести технологию в ЛПЦ-8, являются малоэффективными, так как предусматривают затратный метод «проб и ошибок» и не позволяют оперативно осуществлять «перестройку» технологии при изменении или корректировке требований заказчика. Кроме того, не достаточно полно учитываются ресурсы и возможности отдельно взятой технологической операции. Учеными ФГБОУ ВПО «МГТУ им.Г.И. Носова» совместно со специалистами ОАО «ММК» был разработан новый подход к конструированию многовариантных технологий изготовления металлопродукции с высокой добавленной стоимостью с применением принципов технологической адаптации [1-2]. Под термином «технологическая адаптация» понимается процесс целенаправленного изменения технологической системы в соответствии с определенными критериями приспособления ее структуры и функций к условиям внешней среды, обеспечивающих достижение целей системы (ожидания потребителей, требования нормативной документации).

Рассматриваемый подход предусматривает оценку технико-технологических возможностей предприятия на стадии принятия заказа, анализ технологических факторов (по переделу), влияющих наибольшим образом на изменчивость качественных показателей конечной продукции и наиболее эффективное воздействие на данные факторы для достижения целей системы.

Процесс разработки технологии производства холоднокатаной ленты для монетной заготовки проводился на основе комплексных исследований по выбору химического состава стали, режимов горячей и холодной прокаток, режимов термообработки и дрессировки ленты. При этом в качестве значимых были

выбраны следующие технологические факторы:

- уровень механических свойств горячекатаного подката, определяемый химическим составом стали, а также температурно-деформационными режимами горячей прокатки полосы и ее смотки в рулон;

- набор и последовательность технологических операций переработки горячекатаного рулонного подката в холоднокатаную ленту конечных размеров;

- уровень технологических параметров обработки металлопроката на каждой операции.

Для производства холоднокатаной ленты, предназначенной для изготовления монетной заготовки, на основе применения модели технологической адаптации был разработан алгоритм оценки возможностей многовариантной технологии с точки зрения достижения требуемого уровня свойств. Данный алгоритм представлен на рис. 1.

Ключевым моментом данного подхода является выбор вариантов адаптации и их проверка методом физического эксперимента, либо математического моделирования на основе полученных регрессионных уравнений.

При этом были выделены три возможных элемента технологической адаптации:

- А1 - адаптация технологической схемы (набор операций);

- А2 - адаптация технологических режимов в данной операции;

- А3 - адаптация требуемого набора параметров в исходном состоянии (в данном примере, в горячекатаном подкате для производства ленты).

Общее уравнение регрессии, учитывающее многовариантность рассматриваемой системы, помимо основных характеристик химического состава и горячей прокатки, содержит параметры максимально воз-

можного количества холодных прокаток (п = 3) и термообработок (к = 4), а также параметры операции дрессировки ленты.

В рассматриваемом случае использовался вариант адаптации, основанный на многолетней практике изго -товления ленты из низкоуглеродистых марок стали и не предусматривающий корректировку схемы производства ленты. Соответственно учитывались параметры только одной прокатки и одной термообработки.

ИЯ15Т = 215,3 • С - 21,2 • ЫЬ +129 • Мп -

-419• А1 -21.2• Ьп(Тг)-0,034• Тем -

-0,06 • Тотж1 + 2,4£ир1 - 0, °76  тотж1 + +1,4-едр - 0,27 • И - 46,2,

где ИЯ15Т - твердость готовой ленты; С, Мп, А1, ЫЬ, Т1 - массовые доли углерода, марганца, алюминия, ниобия и титана в химическом составе стали, %; Тсм - температура поверхности горячекатаной полосы перед смоткой ее в рулон, °С; И - толщина готовой ленты, мм, Тотж - температура окончательной выдержки при термообработке, °С; едр - относительное обжатие при дрессировке, %; тотж1 - продолжительность окончательной выдержки при термообработке, %; епр1 - суммарное относительное обжатие при прокатке, %.

Из многолетней практики производства в ЛПЦ-8 ОАО «ММК» известно, что изготовление холоднокатаной ленты с запрашиваемой твердостью возможно только из низкоуглеродистой стали. Однако по инфор-мации, полученной от потребите -ля, использование традиционных марок стали не обеспечивает бездефектную переработку ленты. Так, с учетом имеющейся инфор -мации был определен следующий химический состав стали (табл. 1).

Наиболее характерные вариации химического состава в рамках исследований приведены в табл. 2. Вариации касались содержания углерода, а также микролегирующих элементов. Общеизвестным является факт наследуемости свойств горячекатаного подката при производстве холоднокатаной металлопродукции. Проведенными исследованиями было установлено, что требуемую нормируемую твердость холоднокатаной ленты можно получить только при максимальном приближении к ней твердости горячекатаной полосы. Поэтому наряду с подбором химического состава была проведена регламентация режимов горячей прокатки на ШСГП 2000 ОАО «ММК». При этом температура завершения стадии пластической деформации на стане составила 900+20 С, а температура смотки в рулон - 730±20°С.

Рис. 1. Алгоритм технологической адаптации при изготовлении холоднокатаной ленты для монетной заготовки

Таблица 1

Химический состав стали для монетной ленты

Массовая доля элементов,%

С БІ N Б Р Сг № Си Nb ТІ Мп АІ

Не более В диапазоне

0,007 0,03 0,008 0.025 0,020 0,05 0,10 0,10 0,02 -0,05 0,015 -0,035 0,20 -0,35 0,02 -0,07

- выбор уставок исходя из формулы И = 0 98 • И 1’026-

уст ’ л ’

Таблица 2

Вариации химического состава стали для монетной ленты

Номер плавки Массовая доля, % Твердость, ед. Примечание

С № ТІ Подкат Лента

НРБ Нт5Т

324256 0,01 0,022 0,019 58-64 79-83 Перевод металла на другой заказ

325804 0,08 0,020 0,020 58-64 75-82 Замечания потребителя по выпадам твердости

225102 0,007 0,054 0,042 51-56 75-76

125295 0,007 0,028 0,024 52-55 75-76

117465 0,006 - 0,023 58-61 79-82 Возврат металла

120529 0,006 0,025 0,023 53-57 75-76

323856 0,005 0,025 0,026 52-58 74-76

110647 0,005 0,047 0,036 53-57 76-78 Замечания потребителя по выпадам твердости

325289 0,004 0,027 0,019 52-58 74-76

325806 0,004 0,024 0,022 50-57 73-75

Снижение температур ниже указанных приводит к твердости горячекатаной полосы свыше 58 единиц НКБ, что, в свою очередь, не позволяет обеспечить требуемую низкую твердость готовой ленты. Технологические вариации по температурным режимам горячей прокатки (температуры смотки полосы) приведены в табл. 3.

С учетом «жестких» требований к точности по толщине ленты, а также для обеспечения требуемой твердости и шероховатости поверхности и отсутствия дефектов «пятна слипания» при высокотемпературном колпаковом отжиге были определены у м/с деформационно-скоростные параметры холодной прокатки и последующей дрессировки ленты в условиях станов 630 ОАО «ММК».

При этом, основными особенностями прокатки на 5-клетевом стане можно считать следующие:

- прокатка швов без замедления скорости (рис. 2); V, м/с

- снижение натяжения на моталке стана на 15% от расчетного системой автоматического регулирования толщины и натяжения;

- выбор подката исходя из формулы:

к = 3,5е0,42И*

- шероховатость поверхности бочки валков клети №5 Яа в диапазоне 2,8-3,2 мкм.

Таблица 3 Вариации температуры смотки подката для монетной ленты

Номер плавки Массовая доля, % Т см, °С Твердость, ед. Примечание

С Nb ТІ Подкат Лента

НРБ Нт5Т

324256 0,01 0,022 0,019 660-700 58-64 79-83 Перевод металла на другой заказ

325804 0,08 0,020 0,020 660-690 57-64 76-82 Замечания потребителя по выпадам твердости

225102 0,007 0,054 0,042 690-720 51-56 75-76

125295 0,007 0,028 0,024 700-730 52-55 74-76

117465 0,006 - 0,023 600-650 58-61 79-82 Возврат металла

120529 0,006 0,025 0,023 690-710 53-57 75-76

325804 0,005 0,025 0,026 710-730 52-58 74-76

110647 0,005 0,047 0,036 600-630 55-58 76-78 Замечания потребителя по выпадам твердости

325289 0,004 0,027 0,019 690-730 52-58 74-76

Основными особенностями процесса дрессировки на 2-клетевом стане 630 явились следующие:

- выбор относительных обжатий исходя из формулы

А И

е = (-0.0114 • 1п(Ил - —) + 0.017) • 100%,

где АН - требуемая разнотолщинность, мм; Ил - толщина готовой ленты, мм;

- шероховатость поверхности бочки валков клети №2 не более 0,6 мкм;

- дрессировка швов также без замедления скорости.

„ . -1,5,

где Ил - толщина готовой ленты, мм;

Рис. 2. Вид эпюры скоростей при холодной прокатки ленты для монетной заготовки

В процессе проведенных исследований был также разработан режим термообработки холоднокатаной ленты в колпаковых печах с азотно-водородной защитной атмосферой. Для получения требуемого уровня свойств была проведена серия экспериментов по различным вариантам термообработки (табл. 4).

Таблица 4

Исследуемые режимы термообработки ленты для монетной заготовки

№ п/п Режим нагрева металла при рекристаллизационном отжиге с максимальной температурой по стендовой термопаре, °С Общее время нагрева, ч HR15T Примечание

1 4-ступенчатый Тст max = 690 40 76-82 Возврат металла потребителем

2 5-ступенчатый Тст max =710 38

3 6-ступенчатый Тст max =710 46 79-83 Перевод металла на другой заказ

4 7-ступенчатый Тст max =720 55 76-78 Замечания потребителя по несоответствию значений твердости

5 8-ступенчатый Тст max =740 49 75-76 Перерасход газа

6 9-ступенчатый Тст max =740 51 74-76

7 6-ступенчатый Тст max =750 45 74-76

8 5-ступенчатый Тст max =750 45 73-75 -

Разработанный режим (рис. 3) предусматривает пятиступенчатый нагрев рулонов холоднокатаной полосы первоначально до температуры 370°С с выдержкой не менее 3 ч (1 ступень), после чего до температуры 500°С с выдержкой не менее 5 ч (2 ступень).

менее 3 ч (3 ступень), до температур предварительной (4 ступень) и окончательной (5 ступень) выдержки. При этом продолжительность предварительной выдержки составляет не менее 11 ч, окончательной -не менее 8 ч.

Для предотвращения свариваемости витков полосы и повышения энергоэффективности процесса термообработки охлаждение производится с прекращением подачи теплоносителя и с принудительной конвекцией защитного газа в подмуфельном пространстве до температуры 630°С. Далее снимается колпак и охлаждение производится под муфелем до температуры 135°С, после - ускоренное охлаждение на спокойном воздухе.

При этом назначение температур предварительной и окончательной выдержки осуществляется по зависимости, связывающей исходную твердость горячекатаного подката.

ИЯВ = 129• Мп -419• А1 + 21.2• Ьп(Т1 )--1.7 • Ы. _ 0.18 • Тсм - 0,79 • И + 266,

где ИЯВ - твердость горячекатаного подката; С, Мп, А1, ЫЬ, Т1 - массовые доли углерода, марганца, алюминия, ниобия и титана в химическом составе стали, %; Тем - температура поверхности горячекатаной полосы перед смоткой ее в рулон, °С; И - толщина горячекатаного подката, мм.

Таким образом, в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований по разработке технологии холоднокатаной ленты для монетной заготовки были получены следующие результаты:

- разработан алгоритм процесса адаптации многовариантной технологической системы «производство холоднокатаной ленты», предусматривающей получение сложно достижимого уровня потребительских свойств;

- разработана математическая модель влияния химического состава стали, режимов горячей прокатки, термообработки и дрессировки ленты на один из основных нормируемых потребителем показателей ее качества - твердость НЯ15Т;

- разработана эффективная технология производства холоднокатаной ленты для монетных заготовок.

1.

Выдержка.час

Рис. 3. Режим термообработки монетной ленты

Далее режим термообработки следующий: ступенчатый нагрев до температуры 670°С с выдержкой не

Список литературы

Голубчик Э.М., Телегин В.Е. Разработка принципов технологической адаптации при производстве металлопродукции в многообъектных технологических системах // Цветные металлы 2011: сб. докп. III междунар. конгресса в составе ХУНМ Междун. конф. «Алюминий Сибири»,УН Симпозиума «Золото Сибири». Красноярск: СФУ; ООО «Версо», 2011. С. 597-601.

Голубчик Э.М., Телегин В.Е., Хохлов А.В. Построение адаптационных моделей при проектировании многообъектных технологических систем // Управление большими системами: материалы VIII школы-конференции молодых ученых. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. С. 318-321.

2.

Bibliography

1. Development of the principles of technological adaptation with the production of metal production product in the multiobject technological systems. Golubchik E.M., Telegin V.E. / «Nonferrous metals 2011» coll. report. III Int. Congress in the composition of VII Symposium «Gold of

Siberia» Krasnoyarsk: SFU, JSC «Verso». 2011. P. 597-601.

Construction of adaptive models with the design of multiobject technological systems. Golubchik E.M., Telegin V.E., Khohlov A.V. / Control of the large systems: the materials VIII of the school- conference of young scientists. Magnitogorsk: Publishing house Magnitogorsk. State. tech. university named after G.I. Nosova. 2011. P. 318-321.

УДК 621.771

Румянцев М.П., Шубин П.Г., Попов А.О., Шурыгин В.И.

ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ НА ШСГП ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ КОНТРОЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА И ПОЛОСЫ

Описан процесс работы программы автоматизированного проектирования в режиме учета стохастичности процесса прокатки. Выполнено сравнение результативности прокатки в чистовой группе ШСГП 2000 ОАО «ММК» на примере полосы 4x1180 мм из стали 09Г2С при различных вариантах распределения обжатий по клетям и найден режим, обеспечивающий удовлетворительную результативность по комплексу характеристик процесса и прокатанной полосы.

Ключевые слова: автоматизированное проектирование, широкополосный стан горячей прокатки, стохастичность процесса, результативность прокатки, разнотолщинность, энергосиловые параметры, температура конца прокатки.

The process of computer aided design functioning in stochasticity mode is described. The effectiveness comparison in finishing train of wide strip hot rolling mill is performed for the 4x1180 mm strip for the different reduction strategies. Finally, the technology which maintains satisfactory effectiveness for the whole range of both process and profile parameters was developed.

Keywords: computer-aided design, wide strip hot rolling mill, , process stochasticity, process effectiveness, polythickness, ener-gy-power parameters, finishing temperature.

При создании новых и совершенствовании существующих режимов горячей прокатки полос широко применяются компьютерные программы автоматизированного проектирования [1]. В известных реализациях, как правило, выполняется точечная оценка параметров процесса и прокатываемого металла без учета стохастичности прокатки [2]. Оценивание результатов проектирования без учета объективно существующей вариации параметров может стать причиной ошибочных выводов относительно возможности прокатки по разработанным режимам и особенно выводов относительно качества прокатанных полос. С целью повышения достоверности оценок проектируемых режимов в программе [3] был реализован алгоритм, учитывающий возмущения процесса прокатки (рис. 1).

Алгоритм проектирования начинается с процедуры имитации температурного состояния сляба для каждой точки полосы из числа точек, заданного пользователем. Процесс имитации реализован с использованием процедуры генерации случайного числа по закону нормального распределения:

Кл{,) = ^^огта1

где х - номинальная температура нагрева сляба (ма-

тематическое ожидание); 5 - стандартное отклонение.

На основании практических данных установлена взаимосвязь стандартного отклонения с величиной температуры нагрева:

5 = 0,017 tcл.нoм -15,5 .

Кроме того, с применением процедуры (1) из диапазонов варьирования, настраиваемых пользователем, в каждом проходе для каждой точки на полосе генерируются температуры окружающей среды, охлаждающей воды и рабочих валков. Параметры соответствующих распределений указаны в табл. 1.

Таблица 1

Диапазоны вариаций температур окружающей среды, охлаждающей воды и рабочих валков для имитации возмущений на ШСГП 2000 ОАО «ММК»

Клеть X  min X max X s

R1 76 81 79 0,7

R2 74 76 75 0,8

R3 68 73 71 1

R4 64 68 66 0,8

R5 55 64 60 0,7

R6 54 60 57 0,7

F1 77 85 81 0,83

F2 77 85 81 0,83

F3 72 80 76 0,83

F4 71 79 75 0,67

F5 65 75 70 0,83

F6 66 75 70 0,83

F7 62 70 66 0,83

На всех участках стана распределение температуры техни-

ческом воды имеет следующие параметры: xmin - 15;

Xmax = 35; x = 20; s = 3,3. Параметры распределения тем-

пературы воздуха: xmin - 15; Xma x= 2 ; X = 7, 5; s = 0, 8.