Računalniško podprta simulacija plana valjanja trakov na valjalnem stroju Steckel Computer Aided Simulation of the Pass Schedule of Strip Rolling on the Steckel Rolling Mili P. Fajfar1, R. Turk, V. Nardin, OMM, NTF, Univerza v Ljubljani R. Robič, Acroni, d.o.o., Jesenice Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-01-17 Izdelana je programska oprema 'OPVALST' za simulacijo in optimiranje procesa toplega valjanja širokih trakov na valjalnem stroju Steckel. Omogoča izračun dinamičnega plana valjanja, ki upošteva kontinuirne spremembe pogojev valjanja med enim prevlekom, tako z vidika termomehanskih sprememb valjanega materiala kot tudi geometrijskih sprememb aktivne valjčne reže. Termomehanski in energetsko-obremenitveni parametri valjanja se izračunavanjo kontinuirno za poljubni časovni korak po celotni dolžini traka. Programska oprema je bila verificirana na valjalnem stroju Steckel v ŽJ • Acroni, d.o.o. Ključne besede: postopki valjanja in valjarne, trakovi, matematično modeliranje, računalniško programiranje The OPVALST software for simulation and for optimisation of the width strip rolling technology on the reversing Steckel rolling mili was made. The topic of the program was the dynamic pass schedule as a function of continuos changes of the rolling conditions during a single pass for the vvhole length of the vvorkpiece from the viewpoint of thermomechanical changes in the workpiece, as well as the geometrical changes in the active roll gap. For each tirne interval At, ali thermomechanical rolling parameters were knovvn. It was verified by industrial measurements in the Slovenian Steel Company Acroni d. o. o. Key vvords: rolling processes and rolling mills, sheets, mathematical modeling, computer programming 1 Uvod Izdelana je bila programska oprema OPVALST1,2 za simulacijo in optimiranje procesa toplega valjanja širokih trakov na valjalnem stroju Steckel v Železarni Jesenice, Acroni, d.o.o. Valjalni stroj Steckel je reverzni štirivaljčni stroj, namenjen toplemu valjanju širokih trakov. Vložek je predtrak debeline od 0,016 do 0.02 m, ki je bil predhodno izvaljan na valjalnem stroju slabing. Najmanjša končna debelina traka je približno 0,0024 m. Pri valjanju se trak navija na vroča navijalnika, ki sta postavljena na vhodni in izhodni strani stroja. Navijalnika se nahajata v pečeh, da preprečujeta prevelike toplotne izgube traka. Po zadnjem prevleku se trak trans-portira preko hladilne linije in se končno navije na hladnem navijalniku. Cilj optimiranja je doseganje optimalne geometrije toplo valjanih trakov na valjalnem stroju Steckel glede na spremembe pogojev valjanja. Omogoča izračun dinamičnega plana valjanja, ki upošteva kontinuirne spremembe pogojev valjanja med posameznim prevlekom, tako z vidika termomehanskih sprememb valjanega materiala kot tudi geometrijskih sprememb aktivne valjčne reže, kar je značilnost tehnologije reverzirnega valjanja trakov. Termomehanski in energetsko-obremenitveni parametri valjanja se izračunavanjo kontinuirno za poljubni časovni korak po celotni dolžini traka. Program je razvit za potrebe kontrole tehnoloških parametrov valja- ' Dr. Pclcr FAJFAR. dipl. ing. met. Univerza v Ljubljani NTF - Odd. za materiale in metalurgijo Aškerčeva 12. 1()(X> Ljubljana. Slovenija nja pri toplem valjanju trakov v valjarni Acroni, d. o. o -Železarna Jesenice. 2 Programska oprema OPVALST Programska oprema je uporabniku prijazna, saj lahko z uporabo menujev določi geometrijo predtraka, število prevlekov, končno debelino traka, njegove debeline in obrate valjev za posamezne prevleke, kvaliteto valjanega materiala, premer in mehansko bombiranost valjev, začetno temperaturno polje valjev in temperaturo okolice. Dostop do baz vhodnih in izhodnih podatkov, zapisanih v obliki AISCII, je prost. Programska oprema OPVALST ima vgrajene naslednje modele: 1. hitrost valjanja 2. 2D temperaturni profil traka (Slika 2) 3. 2D temperaturni profil valja 4. sila valjanja (Slika 3) 5. moment valjanja 6. upogib valjev 7. termična bombiranost valjev (Slika 4) 8. ravnost traka 9. obremenitev glavnega pogonskega motorja (I, U, n) 10. obremenitev pogonskih motorjev obeh navijalnikov (I, U, n) 11. aktivna valjčna reža 12. geometrija traka Razdalja med sredino enega navijalnika in sredino valjalnega stroja je razdeljena na pet enakomernih razdelkov, ki so kontrolne točke za izračun tempera- turnih polj. Numeriranje točk poteka od levega navijal-nika, ki ima vrednost ena do desnega, ki ima vrednost enajst (Slika 1). Tekoče število šest pomeni deformaci-jsko cono. Na strani odvijanja se temperature izračunavajo za vse kontrolne točke, na strani navijanja pa je razdelitev razdalje med valjalnim strojem in navijal-nikom, zaradi zakona o konstantnosti volumna odvisna od hitrosti navijanja. Ko trak prispe do navijalnika, se izračuna povprečna temperatura traka (v točki ena ali enajst) in ta predstavlja temperaturo novega navoja. Ko trak zapusti navijalnik, se generira homogeno temperaturno polje traka (v točki ena ali enajst), ki je enako temperaturi navoja, ki se je odvil. Temperaturno polje traka, ki zapusti navijalnik, kontinuirno spremljamo do navitja, kjer se pretvori v točkovno temperaturo enega navoja. V deformacijski coni se izračunavajo (točka šest) temperaturno polje traka in delovnega valja, sila in moment valjanja, oblika aktivne valjčne reža (upogib, skok in termična bombiranost valjev), ravnost traka ter obremenitev glavnega pogonskega motorja (tok, napetost, obrati, moč). Prav tako se za vsak časovni korak At izračunavajo obremenitve motorjev navijalnikov, število navojev in napetosti, ki nastopajo v traku zaradi vleka oz. protivleka, ter dolžini traka, ki se odvija, in traka, ki se navija. Z laboratorijskimi raziskavami na simulatorju ter-momehanskih stanj Gleeble 1500 smo z variiranjem ter-momehanskih parametrov v celotnem območju valjanja dobili podatke o vedenju valjanega materiala v plastičnem stanju. Koeficiente za simulacijo napetosti tečenja po Hajduku smo dobili z večstopenjsko linearno re-gresijo. 4 Rezultati in razprava Programsko opremo OPVALST smo preverili s simulacijo valjanja dveh trakov kvalitet AISI 304 in ELMAG, ki sta se med seboj razlikovala po naslednjih tehnoloških parametrih (Tabela 1): Tabela 1: Primerjava tehnoloških parametrov valjanja AISI 304 07.12.1995 Št.: 17 ELMAG 09.02.1996 Št.: 116 masa (kg) 6630 8080 širina (mm) 1040 1060 končna debelina(mm) 3,0 2,4 začetna temp.valjanja (°C)" 1068 1011 končna temp.valjanja (°C)" 960 900 obrati motorja (vrt./min) 105,112,113, 114,105 97,97,152, 172,180 čas valjanja (s) 250 285 fazna premena NE DA bombiranost valjev (um) 0 -80 Slika 1: Valjalni stroj Steckel Figure 1: Steckel rolling mili Legenda: * - temperatura glave traka pred prvim prevlekom ** - temperatura sredine traka pred zadnjim prevlekom Simulaciji valjanja obeh trakov smo statistično obdelali. V Tabeli 2 so podane povprečne vrednosti absolutnih napak AY in relativnih napak r posameznih veličin glede na čas valjanja za celotno valjanje, korelacijski koeficient R ter povprečna relativna napaka za celotno simulacijo r'. Povprečna napaka celotne simulacije za kvaliteto AISI 304 je bila 6%, za Elmag pa 5%. Pri kvalitetei AISI AISI 304, 07.12.1995, Št.:17 3 Eksperimentalni del Z modelnimi raziskavami smo celoten proces valjanja ^ razdelili na podprocese. Opisani so z algoritmi, ki te- " meljijo na fizikalni razlagi procesa valjanja. Osnova za n verifikacijo modelnih raziskav so tehnološke in laborato- js rijske raziskave. g- Za izvedbo tehnoloških raziskav je bila ustanovljena fi skupina treh partnerjev: NTF - Oddelek za materiale in metalurgijo, SŽ - ŽJ Acroni, d.o.o. in Danieli - United (Italija). Tehnološke raziskave so dale bistvene podatke o že izvajani tehnologiji in o specifičnosti te valjalne proge, katere glavni problem je zagotavljanje geometrijsko neoporečnega traka, tako glede ravnosti kot tudi Slika 2: Temperatura traka bombiranosti po vsej njegovi dolžini. Figure 2: Strip temperature Kontrolne za izračun temperaturnih polj 304 so večja odstopanja pri sili in momentu valjanja ter pri toku glavnega pogonskega motorja. Približno 9% napaka pri simulaciji sile je nastala v največji meri zaradi literaturnih podatkov za napetost tečenja. Dokaj velika je bila relativna napaka pri simulaciji momenta valjanja, saj je znašala 16,9%. Vzrok za to je odvisnost momenta od sile valjanja ter pri določitvi ročice sile valjanja z re-gresijo: Tok glavnega pogonskega motorja je funkcija vseh energetsko-obremenitvenih parametrov. Zaradi tega je bila povprečna napaka pri simulaciji toka motorja tudi največja. Podobna odstopanja so bila tudi pri valjanju kvalitete Elmag, pri čemer je bila simulacija sile uspešnejša. To si razlagamo s korektno izvedenimi laboratorijskimi preizkusi za določitev napetosti tečenja. Sorazmerno z manjšo napako pri sili valjanja je tudi manjša napaka pri simulaciji toka glavnega pogonskega motorja. Zal pa v tem primeru moment valjanja ni bil registriran. 5 Sklepi Izdelana je bila programska oprema OPVALST za simulacijo in optimiranje procesa toplega valjanja trakov na valjalnem stroju Steckel. V ta namen so bile opravljene obsežne in zahtevne meritve v Topli valjarni trakov, Acroni, d.o.o. Ustreznost programske opreme je bila preverjena s simulacijo valjanja trakov dveh kvalitet: AISI 304 in Elmag, ki se med seboj bistveno razlikujeta (Tabela 1) po tehnoloških parametrih valjanja, izhodni in končni geometriji valjanca ter razvoju mikrostrukture. Uspešnost simulacije je bila potrjena s statistično analizo merjenih in izračunanih parametrov valjanja. Uspešna simulacija valjanja trakov je med drugim tudi rezultat dobre analize tehnologije, ki se izvaja na valjalnem stroju Steckel. pass Tabela 2: Statistična ocena matematičnih modelov AISI 304 Elmag Veličina AY r(%) R AY r(%) R Sila (kN) 1334 9,3 0,9051 752 5,2 0,9441 Moment (kNm) 42 16,9 0.9706 Vhodna temperatura (°C) 18 2,0 0,9646 Izhodna temperatura (°C) 18 1,87 0.9812 ' C Debelina traka (mm) 0,09 1,8 0,9975 0,16 4,6 0,9990 Obrati motorja(vrt./min) 3 3,8 0,9625 4 4,2 0,9849 Tok motorja (kA) 0.88 18,6 0,9174 0,77 13,2 0.9136 Napetost motorja (V) 21 4,0 0,9801 18 3,5 0,9835 Obrati levega navijalnika (vrt./min) 1 2,8 0,9966 1 3,6 0,9945 Obrati des. navijalnika (vrt./min) 4 3,9 0,9890 3 5,4 0,9870 Napetost lev.navijalnika(V) 3,6 3,3 0,9796 4 4,0 0,9871 Napetost des.navijalnika(V) 3,5 3,3 0,9943 6 4,3 0,9935 r' (%) 6,0 5,0 Opombe: _ - Moment ni bil merjen. - Meritev vhodne temperature traka je bila motena. Signal ni primeren za obdelavo. _ - Izhodna temperatura traka ni bila merjena. Elmag, 09.02.1996, Št.:116 24000 22000 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 - —i-,—JL—— -i- k. * ------Hjs i --Meritev —Simulacija — — 60 120 180 240 300 Čas (s) Slika 3: Sila valjanja Figure 3: Rolling force AISI 304, 07.12.1995, Št.17 Slika 4: Razvoj celotne termične bombiranosti delovnega valja za deseti trak Figure 4: Evolution of the total thermal crown of the work roll for the Sredina 0.25 trak-va 6480 6580 6680 6780 6880 6980 7080 7180 Čas (s) Programska oprema OPVALST je v fazi, ko uporabnik z variiranjem krmilnih faktorjev (število prevlekov, redukcije debeline traka, hitrosti valjanja, začetna temperatura traka in mehanska bombiranost valjev) skuša doseči optimalen plan valjanja glede na elektromehanske obremenitve valjalnega stroja in geometrijo traka. V naslednji fazi bo programska oprema zmožna z vgrajenimi algoritmi sama določiti optimalen plan prevlekov za določeno kvaliteto in vhodno geometrijo traka. Program OPVALST pomeni inovativen način reševanja problematike večjega izplena celotne mase traka. Modeliranje dinamičnega plana valjanja, ki kontinuirno preračunava tehnološke parametre valjanja po vsej dolžini traka, je bilo kontrolirano z merjenjem tehnoloških parametrov valjanja trakov med redno proizvodnjo. Meritve so potrdile, da model sledi oziroma napoveduje realno stanje tistih tehnoloških parametrov, ki so odlučojoči za kvaliteto toplovaljanih trakov. S tem načinom je za vsak časovni korak določena sila valjanja, ki je glavna krmilna veličina pri oblikovanju aktivne valjčne reže. Pravilno zaporedje aktivnih valjčnih rež zagotavlja raven in v mejah dovoljenih toleranc bombi-ran trak. S tem se bistveno razlikuje od sedaj vpeljanega načina valjanja, ki določa plan prevlekov le za povprečne vrednosti termomehanskih parametrov za celotno dolži- no traka. S tem je tehnologom dano orodje za analizo predpostavljenih planov valjanja (ki veljajo le kot ena informacija za celotno dolžino traku) glede na učinke, ki jih ima ta na oblikovne, dimenzijske, temperaturne in strukturne nehomogenosti trakov celo pri posameznih prevlekih. Na osnovi predpostavljenih planov valjanja predvideva učinke strategije valjanja na zgoraj omenjene nehomogenosti in s tem na kvaliteto proizvodnje. V tej fazi program še ni sposoben za direktno uporabo krmiljenja proizvodnje, saj je glede na nove investicije v modernizacijo valjarne potrebno te specifičnosti definirati tako, da bodo vsebovane v strukturi programa. Naša nadaljnja želja je voditi proces ob podpori avtomatizacije in procesne tehnike tako, da bi nehomogenosti, ki so posledica reverzne tehnologije elimenirali v mejah vedno strožjih meril tržišča. 6 Literatura 1 R Fajfar, R. Turk: Mathematical Modeling of Strip Rolling on the Steckel Rolling Mili, 5th International Conference Steel Strip '96, Conference Proceedings, Opava, CZ, Opava, 1996 2R. Robič, A. Lagoja, P. Fajfar. R. Turk, V. Nardin: Modernization of the Steckel Rolling Mili, 5th International Conference Steel Strip '96, Conference Proceedings, Opava. CZ. Opava, 1996