Розробка інтенсивних режимів гарячої прокатки реологійно складних металів з використанням методів фізичного моделювання

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 621.771.001

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ІНТЕНСИВНИХ РЕЖИМІВ ГАРЯЧОЇ ПРОКАТКИ РЕОЛОГІЙНО СКЛАДНИХ МЕТАЛІВ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДІВ ФІЗИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Спеціальність 05.03.05

“Процеси та машини обробки тиском”

Мироненко Микола Андрійович

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шломчак Георгій Григорович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри технологічного проектування.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Ноговіцин Олексій Володимирович (Міністерство промислової політики України, директор департаменту науково-технічного забезпечення та охорони праці);

кандидат технічних наук, доцент Данько Володимир Михайлович (Донбаський гірничо-металургійний інститут, доцент).

Провідна установа:

Інститут чорної металургії ім. З.І.Некрасова Національної академії наук України, прокатні відділи, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “01” червня 2004 р. о 12 ³⁰ годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 084. 02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “28” квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А. М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Характерною рисою сучасного етапу розвитку технологій у галузі обробки металів тиском (ОМТ) має бути пошук таких оптимальних параметрів деформування металів, при застосуванні яких найбільш ефективно могли б використовуватись реологійні властивості самого металу.

Актуальність теми. Як установлено дослідженнями багатьох вчених, значна частина металів та сплавів, у тому числі і вуглецевих сталей, має складну реологію, тобто відзначається схильністю до роззміцнення при деформуванні. Очевидно, що процеси пластичного формозмінення реологійно складних (РС) металів у стані роззміцнення мають значні резерви щодо економії енерговитрат і особливо при гарячому прокатуванні високих штаб в режимі інтенсивних деформацій, зокрема на обтискному стані в лінії машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ). Проте, унікальна властивість таких металів до цього часу у розробці чи при удосконаленні існуючих технологій ОМТ не використовувалась. Внаслідок цього металургійні підприємства несуть значні збитки при деформуванні металів та через використання обладнання підвищеної енергоємності.

Вихідними даними для розробки чи удосконалення існуючих технологій ОМТ є, зокрема, результати пластометричних досліджень, котрі найбільш повно відповідають специфіці інтенсивних режимів гарячої прокатки високих штаб. Але методології таких випробувань щодо металів зі складною реологією до цього часу не існувало.

Важливою обставиною при вивченні процесів деформування металів, зокрема, реологійно складних є те, що промислові експерименти потребують значних витрат та є трудомісткими. Через це є доцільним застосування методів фізичного моделювання, наприклад, методу муар, які були б адекватні до натурних процесів. При цьому важливим стає визначення критеріальних залежностей теорії подібності стосовно особливостей деформування РС металів у високому осередку деформації при фізичному моделюванні процесів гарячої прокатки.

Результати таких досліджень з особливою ефективністю можуть бути використані у процесах гарячої прокатки високих штаб з РС металів, зокрема, на обтискних станах в лінії МБЛЗ. Це у кінцевому підсумку повинно сприяти отриманню продукції прогнозованої якості та зменшенню енерговитратності промислового обладнання.

У зв'язку з цим тема даної дисертаційної роботи, котра присвячена розробці інтенсивних режимів гарячої прокатки реологійно складних металів на основі вивчення закономірностей розвитку їх деформацій у стані роззміцнення з використанням методів фізичного моделювання, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках комплексних науково-дослідних робіт, що виконувались на кафедрах технологічного проектування та обробки металів тиском Національної металургійної академії України (номери державної реєстрації ДР0197U009633; ДР0100U000765 ). Автор був виконавцем цих робіт.

Мета та задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в розробці методами фізичного моделювання інтенсивних режимів гарячої прокатки металів зі складною реологією та розробки рекомендацій для впровадження їх у промислових умовах. Цільова спрямованість дисертації обумовила необхідність постановки та вирішення наступних задач:

визначити умови напружено-деформованого стану, які мають місце в осередку деформації при гарячому прокатуванні високої штаби РС металу, розробити та виготовити відповідні технічні засоби для дослідження закономірностей течії металу, який подібний до матеріалу штаби, за допомогою пластометрії;

вивчити закономірності та особливості розвитку деформації при гарячому прокатуванні реологійно складних металів ;

розробити основи вдосконаленої технології прокатування високих штаб РС металів в інтенсивних режимах деформацій, застосовуючи методи фізичного моделювання;

на основі теорій подібності та моделювання розробити рекомендації для реалізації вдосконаленого процесу та використати його у промислових умовах.

Об'єкт дослідження. Процес прокатки металів зі складною реологією.

Предмет дослідження. Закономірності деформування та інтенсивні режими гарячої прокатки реологійно складних металів.

Методи дослідження. Робота базується на фундаментальних положеннях теорії обробки металів тиском, теоріях подібності та моделювання стосовно металів зі складною реологією.

У роботі використані такі методи досліджень:

- муар - при дослідженні закономірностей течії РС металів в умовах інтенсивних деформацій при поздовжньому прокатуванні;

- пластометрії - при дослідженні закономірностей розвитку напружено-деформованого стану при пластичному деформуванні зразків металів зі складною реологією;

- електротензометрії;

- комп'ютерної обробки експериментальної інформації з використанням математичного апарату сплайн-функцій.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

Вперше в умовах, що відображають високий осередок деформації при гарячій прокатці (трьох - і двохмірний), виявлено та вивчено закономірності прояву динамічної деформаційної анізотропії роззміцнення реологійно складних металів та установлено, що вона обумовлює переважну течію металу у напрямку більшої головної деформації (у напрямку прокатки).

Раніше таке явище не було відоме. Розробку використано для визначення та реалізації інтенсивних режимів поздовжньої прокатки в умовах роззміцнення РС металів.

Вперше експериментально на фізичній моделі досліджено параметри прокатки (тиск, випередження, відставання та ін.) високих штаб РС металів в інтенсивному режимі без розширення в умовах, що подібні до гарячого деформування.

Розробка відрізняється врахуванням впливу реологійної складності металу, що деформується, на параметри процесу прокатки. Використання цих даних у промисловості в свою чергу відкриває нові можливості у створенні інтенсивних режимів прокатки з отриманням продукції прогнозованої якості.

3) Дістала подальший розвиток методологія та технічне оснащення застосування методу муар для дослідження закономірностей течії металу в осередку деформації при прокатуванні високої штаби з деформаціями, які перевищують її характеристичні значення.

Розробка відрізняється обґрунтованим вибором кроку растру вихідної сітки, стосовно специфічних умов досліджуваного осередку деформації РС металу в умовах роззміцнення. Вдосконалення дозволило вперше дослідити характер напружено-деформованого стану та особливості розподілу зон реологійної складності металу в осередку деформації при прокатуванні. Також встановлено, що переважна частина об'єму металу перебуває у стані роззміцнення, а самі деформації мають переважно зсувний характер.

4)Вперше розроблено нову лабораторну техніку та методологію пластометрії, які дозволяють запроваджувати випробування РС металів-моделей в умовах, що найбільш повно відповідають специфіці інтенсивних режимів гарячої прокатки.

Вперше створено лабораторний пластометр нової конструкції та розроблено принципово нові допоміжні засоби пластометрії, за допомогою яких можливе дослідження РС металів в умовах надвеликих степеней деформації та складних навантажень, які можуть мати місце при гарячій прокатці в інтенсивному режимі. Вперше встановлено факт реологійної складності міді при кімнатній температурі. Запропонована у роботі методологія пластометричних досліджень відрізняється можливістю забезпечення візуального контролю за розвитком деформації РС металу в умовах інтенсивних деформацій та складного навантаження. Це дозволяє підвищити достовірність отримуваних результатів.

5)Одержало подальший розвиток в рамках теорії подібності формування критеріальних комплексів і рівнянь щодо перерахунку результатів фізичного лабораторного моделювання вдосконаленого процесу прокатки на специфічні умови натурного процесу.

Розробка відрізняється врахуванням реологійної складності деформованого металу. Це в свою чергу сприяло тому, що на основі теорії подібності та моделювання було розроблено рекомендації для реалізації вдосконаленого процесу прокатки у промислових умовах, які дозволяють отримувати продукцію прогнозованої якості, застосовуючи для цього прокатне обладнання зменшеної енергоємності.

Практична цінність отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані в процесах гарячої прокатки високих штаб з РС металів, зокрема, на обтискних станах в лінії машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), що у кінцевому підсумку повинно підвищити якість готової продукції та зменшити енерговитратність виробництва.

Результати роботи використані Українським науково-виробничим концерном “Укркольормет” при визначені параметрів процесу пластичної деформації міді та її сплавів та виборі відповідного технологічного обладнання зменшеної енерговитратності (довідка від 12 грудня 2003 року).

На підставі результатів дисертаційної роботи в частині, щодо покращення якості готової продукції в умовах ВАТ „Дніпровський меткомбінат”, подані пропозиції, що включені до технічних завдань по вдосконаленню технологічних режимів деформування заготовок в лінії МБЛЗ (довідка від 26 грудня 2003 року).

Результати досліджень використовуються в частині застосування нових технічних засобів та методологічних розробок у лабораторному практикумі на кафедрах обробки металів тиском та технологічного проектування НМетАУ при підготовці спеціалістів та магістрів. Результати вивчення закономірностей розвитку деформацій реологійно складних металів за умов інтенсивних режимів використовуються в лекційних курсах “Теорія ОМТ” та “Устаткування процесів ОМТ” (довідка від 09 січня 2004 року).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій та співробітників, які сприяли виконанню роботи. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, особисто здобувачем виконано наступне (у порядку наведених в авторефераті публікацій): запропоновано процес пластичної деформації РС металів здійснювати в умовах роззміцнювання, вдосконалено методику методу муар, автор брав участь в експериментальних дослідженнях та опрацюванні результатів - [1]; використовуючи теорію подібності та експериментальні методи механіки деформованого твердого тіла, розроблено фізичну модель процесу прокатування РС металів в режимі інтенсивних деформацій - [1,5]; участь у промислових та лабораторних експериментах - [2]; здійснено проектування та виготовлення лабораторного устаткування та приладів, розроблено методологію та проведено пластометричні дослідження РС металів - [3,4]; здійснено підбір матеріалу, що дозволило висвітити головні принципи експериментальних досліджень в галузі ОМТ - [6]; виявлено та досліджено динамічну анізотропію роззміцнення РС металів - [7]; запроектовано та виготовлено лабораторне устаткування для проведення досліджень методом муар - [8] .

Апробація результатів дисертації. Матеріали, викладені у роботі, доповідались та обговорювались: на V Міжнародній науково-технічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (Дніпропетровськ, 16-18.05.2000); VI Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (Дніпропетровськ, 16-19.09.2002); Міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення та перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (Краматорськ, 22-25.04.2003); Міжнародній науково-технічній конференції молодих спеціалістів “Азовсталь-2003” (Маріуполь, 23-25.05.2003) та на Об'єднаних наукових семінарах кафедри ОМТ НМетАУ і прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (Дніпропетровськ, 26.05.03, 08.12.03, 12.01.04).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображають п'ять статей у спеціалізованих наукових виданнях за профілем дисертації і додатково - три в інших виданнях.

Структура дисертації. Дисертація містить вступ, 4 розділи, висновки, список використаних джерел зі 135 найменувань, додатки. Матеріали роботи викладені на 152 сторінках, в тому числі на 133 сторінках основного тексту, 46 малюнках та у 9 таблицях.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обгрунтована актуальність її теми, визначені мета та задачі дослідження, представлені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача та апробація результатів дисертації.

У першому розділі виконано аналітичний огляд досліджень щодо установлення закономірностей розвитку деформацій металів зі складною реологією.

Реологія металів та сплавів - це розділ науки про течію речовин, що вивчає розвиток та взаємозв'язок деформацій та напружень в процесах їх пластичного формозмінення.

Реологійні властивості можуть бути описані за допомогою рівняння, яке має вигляд складного функціоналу. На практиці залежність опору деформації визначають, як правило, лише від степені , швидкості деформації та температури . Таким чином, реологійне рівняння набуває вигляду функції:

. (1)

Ця спрощена залежність сьогодні є загальноприйнятою, як теоретична основа для експериментального вивчення реологійних характеристик металів та сплавів. Дослідження зразків металів відбувається на пластометрах (реометрах) при постійних швидкостях деформації та температурах, в умовах однорідної деформації при стисненні, розтягуванні, скручуванні. Результати досліджень наводять у вигляді сімей реологійних кривих. Аналіз великого обсягу інформації по реологійних кривих показує, що пластично деформовані матеріали поділяються на реологійно прості, незміцнювані або зміцнювані по монотонно зростаючій функції та реологійно складні - такі, що зміцнюються та аномально роззміцнюються, маючи на кривих екстремуми. Багаторічні дослідження багатьох вчених, таких, як Полухін П.І., Гун Г.Я., Горєлік С.С., Воронцов В.К., Кайбишев С.О., Баранов С.М., Шаповалов В.І. та ін. з позицій металофізики дозволяють пояснити причини виникнення максимумів на кривих . До них відносяться: поліморфні перетворення, що відбуваються під час деформування металу: динамічне деформаційне старіння; вторинна динамічна полігонізація; вивільнення хмарин газів () навколо дислокацій; поява метастабільних зон на межах кристалів; вплив тепла деформації та інші зміни, що спостерігаються під час руху дислокацій. Реологійні аномалії призводять до аномалій у закономірностях розвитку деформацій, котрі сприяють, як доведено нижче у цій роботі, динамічній деформаційній анізотропії роззміцнення.

Аналіз наукових публікацій з експериментальних досліджень в ОМТ, котрі виконані за останні п'ятдесят років, вказує, що більшість з них отримані з використанням свинцю та його сплавів в якості моделей різних металів. Це, в першу чергу, пов'язане з тим загальновідомим фактом, що свинець, котрий рекристалізується при кімнатній температурі, дозволяє моделювати процеси гарячої деформації металів та сплавів. Проте, дослідники в більшості легковажно ставляться до процесу моделювання на свинцеві, навіть не вказуючи його марку, хоча, як показують експерименти Воронцова В.К., Шломчака Г.Г. та ін., навіть незначні зміни у складі домішок свинцю суттєво впливають на його реологійні характеристики. З урахуванням цього вже створено нові сплави-моделі РС металів, що легко деформуються. Виявлено реологійний феномен чистого свинцю: при різних швидкостях деформування, він характеризується різними по складності реологійними кривими . З використанням цього феномену виявлено та з'ясовано явище деформаційних аномалій вищих порядків металів, що відрізняються складністю реології. Ці досліди дозволили розробити класифікацію металів за степеню реологійної складності та започаткувати реологійну концепцію пластичного формозмінювання металів.

Оскільки усі подальші розробки базуються на реологійній концепції пластичного формозмінювання, то виникає потреба стисло зупинитися на основних її засадах. Реологійна концепція формування осередку деформації полягає у встановленні факту переважного впливу властивостей металу, що деформується, на закономірності його течії та суттєве підвищення нерівномірності та локалізації деформацій у приконтактних з валками прошарках металу у вигляді ядер максимальної інтенсивності швидкостей деформації . Під час проходження ядер у випадку прокатування реологійно простого металу його зміцнення посилюється - течія поверхневого шару металу стримується. Реологійно складні метали при проходженні ядер , навпаки - роззміцнюються, і приконтактні об'єми металу, інтенсивніше, ніж глибинні, течуть до виходу з осередку деформації. За умови надвеликих степеней деформації при прокатуванні високої штаби ядра можуть змикатися, утворюючи великі зони роззміцнення, ще більш посилюючи нерівномірність розподілу параметрів деформації. Ці явища сприяють розвитку динамічної деформаційної анізотропії роззміцнення, яка полягає у переважній течії металу у напрямку більшої головної деформації - до виходу з осередку деформації. Але закономірності розподілу об'ємів металу при прокатуванні високої штаби в режимі інтенсивних деформацій до цього часу не з'ясовані вони являють собою актуальну проблему, оскільки можуть в собі приховувати резерви щодо зменшення енерговитрат під час вибору технологічного обладнання.

У роботі зроблено акцент на необхідності врахування реологійних особливостей деформованого металу при побудові нових технологій чи вдосконаленні існуючих. Тому варто зупинитися більш детально на термінові “надвелика деформація”. Виходячи з реологійної концепції деформування металу, зазначимо, що надвелика деформація не є сталою величиною, а залежить від характеру конкретної кривої із сім'ї реологійних кривих того чи іншого металу або сплаву. Під терміном “надвелика деформація” у даній дисертаційній роботі мається на увазі така її степінь, яка спричиняє роззміцнювання металу і відповідає, або перевищує характеристичну її величину .

Аналіз стану теорії ОМТ вказує на нагальну необхідність розвитку пластометрії металів зі складною реологією, особливо у бік надвеликих деформацій, котрі мають місце при інтенсивних режимах пластичного деформування РС металів, якої не існувало. Цим обумовлене виконання у дисертації робіт по створенню нової техніки та методології пластометрії і розробки на основі пластометричних досліджень фізичної моделі нового процесу прокатки з інтенсивними режимами деформування РС металів та використанням їх роззміцнювання. Варто зробити наступне застереження. Автор розуміє, що матеріали, котрі стосуються розробки нової техніки для пластометричних досліджень металів зі складною реологією, лише опосередковано пов'язані з паспортом спеціальності, але вони є необхідною передумовою для створення чи вдосконалення існуючих режимів деформації, зокрема на обтискних станах при її надвеликих значеннях, котрі б дозволили повніше використовувати реологійні властивості самого металу.

Другий розділ дисертації присвячено безпосередньо розробці техніки для пластометрії та фізичного моделювання процесів пластичного формозмінювання металів зі складною реологією за умов надвеликих деформацій.

Вихідними даними для створення нових технологій в галузі ОМТ є достовірні знання реологійних властивостей металів, які мають вигляд сімей пластометричних кривих.

Як вже відзначалося раніше, графіки залежності опору деформації від її степені при постійних швидкостях деформації отримують з використанням спеціальних випробувальних машин - пластометрів. Головним елементом цього приладу є робочий кулачок, що має логарифмічний контур твірної, за рахунок чого і забезпечується сталість швидкості деформації.

У роботі наведено критичний аналіз існуючих конструкцій подібного устаткування, що було виготовлено за минулі п'ятдесят років, тобто від часу створення першої подібної машини. Установлено, що проведення досліджень металів зі складною реологією за умов надвеликих деформацій на жодній з описаних машин є неприйнятним. Тому постала нагальна необхідність у створенні пластометра нової конструкції, яка б дозволила під час досліджень дотриматися наступних вимог: забезпечення однорідності деформації зразків; можливість отримання високих степеней лінійної деформації; широкий діапазон регулювання швидкостей випробувань; малогабаритність та мала енергоємність машини; достатня жорсткість механізмів пластометра; надійність вузлів та механізмів випробувальної техніки та ін.

У пластометричному експерименті простежується чітка залежність достовірності його результатів від ступеня забезпечення однорідності деформації зразків, а точність - від суворості дотримування сталості (незмінності) швидкості деформації та від чіткості роботи апаратури для вимірювання зусиль та переміщень. Особливої актуальності це набуває при випробуваннях за умов надвеликих деформацій. Комплекс вимог до постановки та реалізації експерименту в цих умовах у першу чергу включає забезпечення постійного контролю за розвитком деформації зразка за допомогою кіно - чи відеозйомки з тим, щоб диференційовано керувати умовами контактної взаємодії під час пластометричних досліджень. З цією метою пуансони для осадки зразків мають конічні, поліровані до R 0,2 мкм поверхні, центруючи виступи, а контактуючі поверхні зразка мають концентричні канавки трикутної форми. Сам контейнер для пластометричних досліджень виготовлено автором із наскрізним отвором. Особливою відмінністю є передбачена можливість виконання досліджень в умовах пластичного стиснення зразка з одночасним зсувом. З цією метою розроблено та виготовлено універсальний контейнер нової конструкції.

Лабораторний пластометр, який розроблено і виготовлено під час виконанння дисертаційної роботи, відрізняється від відомих машин тим, що з метою суттєвого спрощення конструкції, зменшення динамічних навантажень та підвищення точності випробувань він обладнаний човниковим виконавчим механізмом, що затримує включення обертання робочого кулачка до стабілізації частоти обертів системи.

Під поняттям “пластометрія” у даній роботі мається на увазі не тільки комплекс основного та допоміжного обладнання, але й процес вивчення закономірностей формозмінення зразків металів як за умов надвеликих деформацій, так і при складному навантаженні для використання результатів цих досліджень при розробці методології забезпечення сталості швидкостей деформації, що відповідають натурним умовам прокатування. У ході виконання дисертаційної роботи були розроблені і така методологія, і низка пристроїв, що дозволяють значною мірою розширити спектр пластометричних досліджень за умови .

Першими ж випробуваннями зразків міді марки М1 (ГОСТ 859-66) при температурах 1820єС в інтервалі усталених швидкостей деформації установлено, що вона є реологійно складною з характеристичною степеню деформації . Підвищення степені деформації міді призводить до суттєвого її роззміцнення при кімнатних температурах. Використання цих особливостей при визначенні параметрів процесу пластичної деформації міді та сплавів на її основі дозволило в умовах Українського науково-виробничого концерну “Укркольормет” обрати відповідне технологічне обладнання зменшеної енерговитратності (довідка від 12 грудня 2003 року).

Нові пластометр і методологія випробувань РС металів дозволили вперше визначити реологію технічно чистого свинцю марки С1 (ГОСТ 3778-65) при температурі 18єС та степенях деформації до , оскільки саме такої величини вона може сягати при інтенсивному режимі деформування у процесах, що моделюють гарячу прокатку. Підтверджено, що цей метал є реологійно складним з декількома екстремумами на пластометричній кривій.

Окрім того, дослідження, проведені за участю автора наявної роботи, дозволили виявити невідому раніш анізотропію динамічного деформаційного роззміцнення металів зі складною реологією, яка зумовлює переважну течію металу у напрямку більшої головної деформації. Цілком логічним у цій роботі стало проведення експериментів, метою яких стало вивчення процесів пластичного формозмінення за умов надвеликих деформацій та складних навантажень, які виникають при великих деформаціях металів з їх аномальним роззміцненням. Такі дослідження є також актуальними і для розвитку теорії ОМТ.

Виявлення здатності реологійно складних металів до аномального роззміцнення в умовах надвеликих деформацій обумовило можливість наближеного моделювання інтенсивних технологій гарячої прокатки сталей з використанням свинцю або його сплавів, оскільки використання сталей у якості моделей сталей (автомодельність) з точки зору теорії подібності неприпустиме, бо потребує суттєвого підвищення швидкості прокатки в лабораторних умовах. Як доведено у роботах Чекмарьова О.П., Полухіна П.І., Воронцова В.К. та ін., такий (ізотермічний) підхід у фізичному моделюванні процесів прокатки є єдино правильним, а у багатьох випадках до того ж і єдино можливим.

З метою перевірки гіпотези про утворення зон роззміцнення у високому осередку деформації при фізичному моделюванні процесів гарячої прокатки металів зі складною реологією у дисертаційній роботі було модернізовано автоматизований лабораторний комплекс НМетАУ. Основу його складає безшпинделевий лабораторний прокатний стан зусиллям до 50 кН. Завдяки цьому стало можливим проведення досліджень для виявлення закономірностей розвитку деформації реологійно складного металу при її надвеликих значеннях. Деформуючий інструмент у цьому разі сконструйовано так, що можливо прокатувати як з вільним розширенням моделей штаб, так і з повним примусовим його виключенням.

У третьому розділі наведено розробку фізичної моделі процесу прокатки реологійно складного металу в режимі інтенсивних деформацій, тобто переважного роззміцнення.

У даній дисертаційній роботі обрані методи досліджень; створено устаткування для відтворення процесу в лабораторних умовах; розроблено системи вимірювачів та автоматизації експерименту, визначені критерії подібності процесів. На базі отримуваних результатів на фізичних моделях у подальшому уможливлюється створення нових процесів, а також їх математичних моделей для розвитку теорії ОМТ.

При фізичному моделюванні процесів ОМТ в якості матеріалу, що деформується, використано свинець або його сплави з наперед відомими реологійними властивостями, подібними властивостям сталей. У такому разі можливе застосування ефективних методів експериментальної механіки: поляризаційно-оптичного, муарових смуг, координатних сіток, тензометрії та ін. При дослідженні напружено-деформованого стану металу в осередку деформації при надвеликих її степенях автором використовувались методи муар та тензометрії. Застосування методу муарових смуг дозволило отримувати безперервну (недискретну) інформацію про її розвиток у осередкові деформації, що зручно для подальшої обробки за допомогою сучасної обчислювальної техніки. За допомогою тензометричної апаратури визначаються енергосилові параметри процесу пластичного формозмінювання.

Вперше у роботі методом теоретично обґрунтованого фізичного моделювання виконані експерименти по прокатуванню свинцевих зразків у реологійно складному режимі (з надвеликими деформаціями) за умов стабільної вільної течії металу зразка по робочій поверхні валків з =60...90 % при великих кутах захвату >40...60. Установлено, що навіть при повному примусовому виключенні розширення штаб, прокатка РС металу в умовах роззміцнювання протікає стабільно і при таких параметрах деформування.

Однією із важливих технічних задач у методі муар є нанесення вихідного растру на поверхню зразка, який потрібно деформувати. У ході виконання дисертаційної роботи було застосовано новий метод отримання муарових смуг. Він полягає у тому, що вихідний растр на поверхні зразка формується одночасно з калібруванням його розмірів у закритому контейнері дно якого вистилалось металічними пластинами з еталонними растрами кроком від 0,1 до 0,5 мм. При інтенсивних обтисках наприкінці осередку деформації лінії викривленого растру розташовані настільки щільно, то, щоб мати чітку картину інтерференції (муар), необхідно крок растру збільшувати. При дослідженні надвеликих деформацій доводилось збільшувати крок растру навіть до 1,5 мм.

З метою виключення течії металу у напрямку, перпендикулярному процесу прокатки, існуючий лабораторний прокатний стан було модернізовано. Валки сталеві (40Х) радіусом 50 мм. Робочі поверхні валків мали накатку у вигляді ромбів глибиною врізу 0,1 мм. Процес моделювався з використанням у якості реологійної моделі свинцю марки С1 (ГОСТ 3778-65) вихідним перетином 50х50 мм прокатувались в реологійно складному режимі при Т=18 С з максимальною деформацією =92%. Зразки з початковими розмірами НхВ=50х50 мм прокатувались у реологійно складному режимі з середніми швидкостями =0,02...0,1 мм/с. Для одержання картин муарових смуг растри формувались на внутрішніх поверхнях складових зразків у їх вертикальних вісесиметричних площинах.

Щільність та характер розташування муарових смуг в осередку деформації є основною причиною необхідності застосування сучасної комп`ютерної техніки для обробки первинної експериментальної інформації. За допомогою ПЕОМ уточнюється розташування муарових смуг, ретельно відслідковується на збільшеному зображенні сканованої копії місце знаходження точок перетину ліній початкового растру і деформованої сітки. Для подальшої обробки експериментальної інформації (полів муар) були розроблені алгоритм та програма, в основу яких покладено метод сплайн-функцій. Муарові смуги можна розглядати як сім`ї параметричних кривих. Це дозволило кожну криву відображати у вигляді координат точок, зведених до таблиць параметричного частково-лінійного відображення полів переміщень U та V. Будувались уточнені графіки картин муарових смуг. Використовувалось середовище Microsoft Excel. Кожна смуга, яка являє собою експериментальну криву, наближено замінюється графіками поліномів третьої степені - сплайн-функціями. При вивченні закономірностей течії металу при прокатці з надвеликими деформаціями застосування цього методу дає змогу суттєво зменшити похибки під час подальшої математичної обробки вихідних картин інтерференції.

Така методика обробки первинної експериментальної інформації (муарових смуг) дозволила вперше установити, що при прокатуванні РС металу в інтенсивних режимах він знаходиться в осередку деформації переважно у стані роззміцнювання. При цьому суттєво зменшується величина необхідної енергії на деформування металу. Окрім того, пластична течія металу набуває здебільш зсувного характеру у всьому об'ємі осередку деформації, що в свою чергу полегшує процес пластичного формозмінювання (знижується величина опору деформації) та ще більш зменшує зусилля деформування.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячено розробці методами подібності рекомендацій для впровадження нового процесу прокатки у промисловість. З цією метою, в першу чергу, базуючись на розробленій фізичній моделі процесу пластичного деформування металів в режимі роззміцнення та спираючись на положення класичної теорії подібності та фракційний аналіз, були визначені незалежні параметри нового процесу прокатки металу зі складною реологією.

Геометричні параметри. До списку цих визначальних параметрів входять величини, що однозначно характеризують геометрію процесу прокатки - вихідна H та кінцева h висота штаби, радіус валків R і вихідна ширина B відповідно:

Мікрогеометричні параметри. У досліджуваному процесі прокатки вони характеризуються стандартизованими параметрами шершавості .

Кінематичні параметри. Особливість поставленої задачі полягає у тому, що в ній швидкість обертання валків визначається шляхом застосування під час досліджень процедури прямого вимірювання за допомогою відповідних вимірювальних механічних пристосувань та тензометричних приладів. У цьому разі кінематичний параметр автоматично потрапляє до розряду первинних визначальних незалежних параметрів.

Реологійні параметри. Реологійні пружні параметри матеріалу інструменту випливають із відомого рівняння закону Гука: це - пружні параметри: модуль пружності І-го роду та коефіцієнт Пуассона .

Реологійна подібність металів, що деформуються в лабораторних та у промислових умовах, визначається за сім'ями пластометричних кривих цих металів. У даних дослідженнях визначено, що головними реологійними параметрами є: характеристична степінь деформації ; відповідне до максимального на пластометричних кривих значення опору деформації ; початкова вихідна степінь деформації , при якій на реологійних кривих достовірно визначається опір деформації ; модулі степенного зміцнення та роззміцнення ; модулі, що визначають вплив швидкості деформації на поточний опір деформації та визначаються за формулами:

; , (2)

де - опір деформації при ;

- опір деформації, що відповідає максимальному зміцненню металу при досягненні характеристичної степні деформації;

- опір деформації, що відповідає максимальному роззміцненню металу.

Підсистеми критеріїв подібності (геометричної, мікрогеометричної, реологійної, кінематичної) в рамках ізотермічності протікання процесу визначались за відомими вимогами класичної теорії подібності (- теорема) та фракційного аналізу Клайна Дж. з урахуванням обґрунтованих доповнень Хантлі Г. відносно використання векторних величин.

Після відповідних перетворень було визначено наближене загальне критеріальне рівняння:

() = 0. (3)

Слід зазначити, що особливою передумовою в реалізації розроблюваного процесу прокатки є попереднє встановлення подібностей швидкостей обертання валків моделі та натури. Швидкість обертання валків лабораторного стану обумовлюється його технічними можливостями, але при обов'язковому дотриманні вимог подібності відповідних реологійних кривих металів моделі та натури. Процес прокатки моделювався для умов ВАТ „ Дніпровський металургійний комбінат ім. Ф.Е. Дзержинського”.

У визначенні параметрів промислової технології при відомих швидкостях прокатки було використано критерії подібності, що складають рівняння (3). Зокрема визначались: силові параметри процесу, питомий тиск, максимально можливі степені деформації та максимальні кути контакту металу в кліті при вільному розширенні та з його повним примусовим виключенням, а також інші параметри.

На моделі доведено, що навіть без підпору процес прокатки у режимі роззміцнення при надвеликих деформаціях та кутах контакту металу з валками > 60 протікає у сталому режимі стабільно. Свинцеві моделі були вибрані реологійно складними, подібними до сталей 20 та 45.

Розрахунок середнього питомого тиску за умов забезпечення рівності усіх критеріїв подібності (3) вираховується за простим співвідношенням:

, (4)

де - середні за осередком деформації значення опору деформації металу моделі та натури;

- питомий тиск на валки при моделюванні нового процесу.

Новий процес прокатки, що розробляється, принципово відрізняється тим, що він уперше реалізується з інтенсивними деформаціями - в режимі переважного роззміцнення металу зі складною реологією. Процес пропонується для прокатування безперервно литих заготовок в лінії МБЛЗ ВАТ „Дніпровський меткомбінат” після проектування конструкції спеціальної подвоєної кліті нової конструкції (довідка від 26 грудня 2003 року). У кожній парі валків (горизонтальних та вертикальних) забезпечується разова деформація, що сягає 4070 %. При цьому максимальне загальне подовження до 9 з перетином заготовки - 100100 мм (при вихідній 300300 мм). Перерахунки з моделі на натурний процес доводять, що величина середнього питомого тиску не перевищуватиме 6080 МПа.

Впровадження такого процесу у промисловість дозволить суттєво підвищити якість прокатаної заготовки: повну відсутність залишків ливарної структури, підвищення щільності металу та його однорідності в перетині.

Отримані в дисертаційній роботі результати також використовуються у навчальному процесі під час проведення лекційних занять, лабораторних та науково-дослідних робіт (довідка від 09 січня 2004 року).

деформування метал прокатка сталь реологійний

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичні узагальнення закономірностей деформування металів зі складною реологією та нове вирішення наукової задачі, що полягає у розробці інтенсивного режиму гарячої прокатки реологійно складних металів на основі фізичного моделювання вдосконаленої технології. Задача вирішується шляхом всебічного обгрунтування можливості протікання процесу пластичного формозмінювання означених металів з використанням їх властивостей роззміцнювання при надвеликих деформаціях. В основу створення вдосконаленого процесу прокатки покладено дані пластометричних досліджень та результати вивчення явища анізотропії роззміцнення РС металів. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці рекомендацій щодо реалізації вдосконаленого процесу у промислових умовах.

1. Аналіз сучасного стану розвитку технологій в галузі ОМТ, зокрема гарячої прокатки високих штаб металів, схильних до роззміцнення (реологійно складних), вказує на наявність резервів щодо економії енерговитрат. Використовуючи методи фізичного моделювання, з'являється можливість розробки інтенсивних режимів деформування РС металів, при яких найбільш ефективно можливо використовувати реологійні властивості металу, що є актуальною задачею.

2. У роботі розроблена та реалізована лабораторна фізична модель вдосконаленого процесу прокатування реологійно складних металів, котра полягає у їх деформуванні з надвеликими степенями деформації, тобто в умовах роззміцнення. Вперше всебічно обгрунтуваним фізичним моделюванням доведена можливість вільного сталого процесу прокатування реологійно складних металів зі суттєво підвищеними кутами захвату (до 60є) та степенями деформації (до 95%). Вперше при розробці вдосконаленого процесу використано явище динамічної деформаційної анізотропії роззміцнення РС металів.

3. Вперше проведено дослідження залежностей напружено-деформованого стану металу зі складною реологією при пластичному деформуванні зразків на новому пластометрі та за новою методологією пластометрії. Пластометричними дослідженнями виявлено, що при степенях деформації, більших за 70% в умовах кімнатних температур:

технічно чиста мідь є реологійно складним металом;

технічно чистий свинець має складну реологію, що відображається декількома екстремумами на пластометричних кривих.

4. Розроблено випробувальні технічні засоби та методологію реалізації методу муар: техніку нанесення та фотографування растрів; алгоритм та програму комп'ютерного опрацювання картин муарових смуг із застосуванням математичного методу сплайн-функцій для дослідження течії РС металу у високому осередку деформації при прокатуванні в умовах роззміцнення.

5. Методом муарових смуг вивчені закономірності течії РС металу в осередку деформації з надвеликими степенями деформації. Вперше установлено, що:

переважна частина об'єму металу в осередку деформації знаходиться в умовах роззміцнення;

в першій половині осередку деформації має місце суттєво велика нерівномірність розподілу деформацій переважно зсувного характеру;

до виходу з осередку деформації параметри обтиснень шарів металу по висоті вирівнюються;

повне виключення розширення штаби при її прокатуванні не призводить до помітного підвищення зусилля деформування через посилення степені роззміцнення металу за рахунок збільшення головної деформації у напрямку прокатки.

6. З використанням теорії подібності та результатів фізичного моделювання розроблено і рекомендовано вдосконалений процес прокатки реологійно складних вуглецевих та легованих сталей реалізовувати у промислових умовах.

7. Результати роботи використані Українським науково-виробничим концерном “Укркольормет” при визначенні параметрів процесу пластичної деформації міді та її сплавів при виборі відповідного технологічного обладнання зменшеної енерговитратності.

8. Результати вивчення закономірностей розвитку деформацій металів зі складною реологією за умов надвеликих деформацій використовуються в лекційних курсах “Теорія ОМТ” та “Устаткування процесів ОМТ”. Нові технічні засоби та методологічні розробки використовуються як лабораторний практикум на кафедрах обробки металів тиском та технологічного проектування НМетАУ.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ У РОБОТАХ

1. Шломчак Г.Г., Фірсова Т.І., Мироненко М.А. Методика опрацювання та результати досліджень течії металу методом муар при великих кінцевих деформаціях у прокатці // Теория и практика металлургии. - 2003. - № 4 - С. 47-53.

2. Шломчак Г.Г., Мироненко М.А., Фірсова Т.І. Реологійна нетехнологічність вуглецевих сталей // Теория и практика металлургии. - 2003. - № 5-6 - С. 66-69.

3. Shlomchak G.G., Mamuzic I., Mironenko N.A. Development of the technique for the plastometric experiment of the rheologically complex metals // Metallurgija, vol.42, Zagreb. - 2003. - Br.4.-S.257-259.

4. Шломчак Г.Г., Мироненко М.А. Пластометр для випробувань реологійно складних металів // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2003.- № 1 - С. 53-54.

5. Шломчак Г.Г., Мироненко М.А., Фірсова Т.І. Техніка методу муар при дослідженні великих кінцевих деформацій у процесах обробки металів тиском // Теория и практика металлургии. - 2003. - № 3 - С. 44-49.

Додатково наукові результати відображено у роботах:

6. Фирсова Т.И., Мироненко Н.А. О достоверности эксперимента в обработке металлов давлением // Філософія, культура, життя. - 1999.- № 6 - С. 40-45.

7. Шломчак Г.Г., Мироненко Н.А. Динамическая анизотропия разупрочнения реологически сложных металлов // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2000.- № 8-9 - С. 98-99.

8. Мироненко М.А., Шломчак Г.Г. Метод муарових полос при дослідженні надвеликих деформацій у прокатці // Тезисы докладов международной научно-технической конференции молодых специалистов “Азовсталь-2003” (г. Мариуполь, 23-25 мая 2003 г.) - Мариуполь: ОАО “МК ”Азовсталь”. - 2003. - С. 24-25.

АНОТАЦІЯ

Мироненко М.А. Розробка інтенсивних режимів гарячої прокатки реологійно складних металів з використанням методів фізичного моделювання . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 -“Процеси та машини обробки тиском”- Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертацію присвячено розробці та реалізації на фізичній моделі нової технології прокатування реологійно складних (РС) металів. З цією метою використано невідоме раніше явище динамічної деформаційної анізотропії роззміцнення РС металу, всебічно вивчене в рамках цієї роботи. У роботі вперше проведено дослідження залежностей напружено-деформованого стану РС металу при пластичному деформуванні зразків на новому пластометрі та за новою методологією. Із застосуванням методу муар та математичного апарату сплайн-функцій отримано низку нових результатів, які дозволяють по-новому поглянути на процеси, що протікають у металі під час його деформування.

Розроблені рекомендації та подані пропозиції щодо промислового застосування результатів досліджень при виборі обладнання зменшеної енергоємності та вдосконаленні технологічних режимів прокатки високих штаб металів зі складною реологією. Основні результати досліджень використовуються у навчальному процесі під час проведення лекційних занять, лабораторних і науково-дослідних робіт.

Ключові слова: метал, реологійна складність, динамічна деформаційна анізотропія роззміцнення, пластометр, надвелика деформація, фізичне моделювання процесів, метод муар.

АННОТАЦИЯ

Мироненко Н.А. Разработка интенсивных режимов горячей прокатки реологически сложных металлов с использованием методов физического моделирования . - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 -“Процессы и машины обработки давлением” - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена разработке и реализации на физической модели новой технологии прокатки реологически сложных (РС) металлов с использованием явления деформационной динамической анизотропии их разупрочнения.

Создание новых технологий в области обработки металлов давлением (ОМД) в настоящее время немыслимо без знания реологических свойств пластически деформируемого материала.

Анализ обширной информации по реологическим кривым, показывает, что металлы и сплавы в общем случае подразделяются на реологически простые: с не изменяющейся или монотонно возрастающей функцией; и реологически сложные: имеющие экстремумы на реологических кривых.

Реологические аномалии общеизвестны, и материаловедение находит им различные объяснения: полиморфные превращения, которые происходят во время деформации металла; динамическое деформационное старение; вторичная динамическая полигонизация; явление атермического разупрочнения; влияние тепла деформации и другие явления, которые происходят во время движения дислокаций, в структуре и свойствах металла. Также многочисленные исследования показывают, что механизм развития деформации существенным образом зависит от реологической сложности металла.

Научно обоснованное использование реологического феномена свинца, состоящее в том, что при разных скоростях деформирования он характеризуется различными по сложности реологическими кривыми, позволило использовать его для создания физической модели предложенного в диссертации процесса прокатки РС металлов со сверхбольшими деформациями, т. е. в условиях разупрочнения.

В работе впервые проведены исследования зависимостей напряжённо-деформированного состояния металла со сложной реологией при пластическом деформировании образцов на новом пластометре и по новой методике в условиях сверхбольших деформаций.

Изготовленный кулачковый пластометр новой конструкции, в отличие от других подобных машин, оснащён исполнительным механизмом челнокового типа, благодаря которому осуществляется стабилизация оборотов системы до начала вращения кулачка.

Профилировка же рабочей поверхности самого кулачка позволяет обеспечивать постоянство скорости деформации при пластометрических испытаниях.

Впервые изучены закономерности развития явления динамической деформационной анизотропии разупрочнения РС металлов и установлено, что оно обуславливает преимущественное течение металла в направлении большей главной деформации. Впервые экспериментально установлено наличие максимума на реологической кривой меди (марки М1) при степени деформации около 70 %, комнатной температуре и скорости деформирования .

В работе разработана и реализована лабораторная физическая модель процесса прокатки РС металлов в режиме интенсивных деформаций, которая заключается в их деформировании со сверхбольшими степенями деформации, т. е. в условиях разупрочнения.

Причём, впервые при создании новой технологии практически использовано явление динамической деформационной анизотропии разупрочнения РС металлов.

Кроме того, в работе впервые всесторонне обоснованным физическим моделированием доказана возможность свободного стабильного процесса прокатки металла при существенно повышенных углах захвата (до 60) и степенях деформации (до 95%).

Разработанная методология и испытательные технические средства реализации метода муар позволили изучить закономерности течения РС металла в очаге деформации при сверхбольших степенях деформации и прийти к следующим выводам.

Во-первых, преимущественная часть объёма металла в очаге деформации находится в состоянии разупрочнения.

Во-вторых, несмотря на значительную неравномерность распределения деформации во входной части очага деформации, на выходе из него объём металла полосы по высоте деформируется равномерно.

В-третьих, исключение уширения полосы не повышает усилие деформирования, потому что значительная часть металла в очаге деформации находится в состоянии разупрочнения.

При обработке исходной экспериментальной информации в методе муар использовался известный аппарат сплайн-функций и широкие возможности современной компьютерной техники с целью получения достоверных результатов о напряжённо-деформированном состоянии металла в очаге деформации при физическом моделировании предлагаемого процесса прокатки.

В работе на основе теории подобия и моделирования разработаны рекомендации для реализации процесса прокатки в режиме интенсивных деформаций в промышленных условиях.

Разработаны рекомендации и поданы предложения по промышленному использованию результатов исследований при выборе оборудования уменьшенной энергоёмкости и при усовершенствовании существующих технологических режимов прокатки высокой полосы. Основные результаты исследований используются в учебном процессе во время проведения лекционных занятий, лабораторных и научно-исследовательских работ.

...