Основи раціональної технології сортової прокатки заготовок з інструментальних сталей зі зменшенням глибини поверхневих дефектів і зниженням ресурсовитрат

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском"

Основи раціональної технології сортової прокатки заготовок з інструментальних сталей зі зменшенням глибини поверхневих дефектів і зниженням ресурсовитрат

Самсоненко Андрій Анатолійович

Дніпропетровськ 2010

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник:

доктор технічних наук, доцент Головко Олександр Миколайович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри обробки металів тиском.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Луценко Віктор Олександрович, завідуючий кафедрою “Обробка металів тиском і металознавство”, Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ;

кандидат технічних наук Луцький Михайло Борисович, головний інженер ТОВ «Метали і полімери», м. Алчевськ.

Захист відбудеться " 22 " червня 2010 р. у 1230 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

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

Автореферат розісланий " 20 " травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський

1. Загальна характеристика роботи

дефект ресурсозберігаючий прокатка сталь

Актуальність теми. Значну частину сортаменту прокатної продукції в Україні складає гарячекатаний сталевий прокат простої форми поперечного перерізу. Важливе місце в удосконаленні технології його виробництва посідають роботи зі зниження метало- та ресурсовитрат.

При виготовленні прокаткою заготовок з інструментальних сталей важливе значення має відсутність дефектів. Виникнення та розвиток таких дефектів залежить як від якості сталі, так і від технології прокатки заготовок і наступної їх обробки тиском. Практика свідчить, що отримати прокат без дефектів часто неможливо. Значну частину з них складають вузькі подовжні дефекти типу “тріщина напруження”, “зморшки”, “закат”, “риска”, які здебільшого містяться у поверхневому шарі та видаляються з готового прокату вирубкою, вогневою зачисткою або суцільною токарною обробкою поверхневого шару на глибину їх залягання. Природно, чим менше ця глибина, тим менше витратний коефіцієнт металу та більше продуктивність виробництва. Знизити металовитрати при механічній обробці готового прокату можливо шляхом зменшення глибини поверхневих дефектів при прокатці в витяжних калібрах.

Основним технологічним фактором, який, переважно, впливає на глибину поверхневих дефектів, є режим деформації штаби під час її прокатування. У великій мірі він визначається системою калібрів, що використовується для одержання того чи іншого профілю. Для прокатки заготовок з інструментальних сталей найбільше розповсюдження отримали системи калібрів «ромб - квадрат» та «овал - круг». Однак, існуючі на цей час дослідження поведінки дефектів при прокатуванні в калібрах цих систем носять суперечливий характер і не дають чітких рекомендацій по удосконаленню калібровки прокатних валків. Крім того, при проектуванні калібрів не враховується вплив режиму деформацій на глибину поверхневих дефектів та їх розподіл по периметру прокату. Врахування цих факторів суттєво впливає на технологію прокатки інструментальних сталей. Розробка ресурсозберігаючих технологій для умов сортової прокатки також неможлива без урахування впливу температури на режим прокатки та роботу інструменту. Ці фактори впливають на формозміну металу при прокатці, умови тертя на контакті та інтенсивність зношування валків і можуть визначати розвиток вже існуючих та утворення нових дефектів.

Таким чином, робота, що направлена на розробку раціональних ресурсозберігаючих технологій гарячої прокатки сортових профілів простої форми з урахуванням закономірностей зміни глибини поверхневих дефектів, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи відповідає напряму наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконані в рамках програми та відповідної тематики держбюджетних та господарсько-договірних науково-дослідних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ: ДР №№ 0103U003217, 0106U002225, 0109U004016, 0105U000700 за пріоритетним напрямом розвитку «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі» відповідно до Закону України «Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки» від 11.07.2001р., №2623-ІІІ. Автор був виконавцем цих робіт.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є розробка раціональних ресурсозберігаючих технологій гарячої прокатки сортових профілів простої форми з урахуванням закономірностей зміни глибини поверхневих дефектів.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі завдання:

- проаналізувати існуючі дані щодо зміни глибини поверхневих дефектів;

- експериментально підтвердити можливість комп'ютерного дослідження зміни глибини вузьких подовжніх поверхневих дефектів з використанням відомих розрахункових засобів;

- визначити залежність показників деформації приконтактного шару від температури прокатки та умов тертя при прокатці заготовок з інструментальних сталей в калібрах простої форми;

- визначити спільний вплив технологічних параметрів прокатки заготовок з інструментальних сталей та параметрів калібровки інструменту на деформацію приконтактного шару;

- визначити розподіл деформації приконтактного шару по периметру розкату при прокатці в калібрах простої форми;

- визначити залежність глибини вузьких подовжніх поверхневих дефектів від коефіцієнту витяжки, початкової глибини дефекту, форми калібру та заготовки при прокатці в овальних, ромбічних, круглих та квадратних калібрах;

- удосконалити метод розрахунку калібровок систем «ромб-квадрат» та «овал-круг», які найбільше використовуються для прокатки інструментальних сталей;

- запропонувати способи покращення температурного режиму прокатки та роботи валків при виробництві сортових профілів простої форми;

- впровадити отримані розробки у виробництво та навчальний процес.

Об'єкт дослідження. Процес гарячої сортової прокатки заготовок простої форми поперечного перерізу з інструментальних сталей, які використовуються для виробництва інструменту, призначеного для обробки металів тиском при високих температурах.

Предмет дослідження. Закономірності розподілу деформацій та глибини поверхневих дефектів в приконтактному шарі металу при гарячій прокатці в калібрах простої форми.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних положеннях теорії пластичного плину твердих тіл, теорії обробки металів тиском, теорії прокатки та теплообміну. Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних умовах з використанням сучасної вимірювальної апаратури. При проведенні досліджень використано методи математичного моделювання, методи планування експерименту і статистичної обробки даних із застосуванням комп'ютерної техніки.

Наукова новизна. Наукову новизну мають перелічені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень.

1. Отримали подальший розвиток теоретичні дослідження закономірностей трансформації вузьких подовжніх поверхневих дефектів при прокатці інструментальних сталей в калібрах простої форми.

Розробка відрізняється від відомих урахуванням впливу форми та початкової глибини дефекту, температури прокатки та умов тертя на глибину поверхневих дефектів. Це дозволяє вибором технологічних параметрів процесу прокатки (температура, ступінь деформації, система калібрів) забезпечити мінімальну глибину поверхневих дефектів та зниження витрат металу при механічній обробці готового прокату, а також запропонувати доцільні технологічні заходи, зокрема, із забезпечення необхідного температурного режиму роботи валків та прокатки.

2. Отримали подальший розвиток теоретично визначені закономірності розподілу деформації приконтактного шару інструментальних сталей по периметру калібрів простої форми при прокатці.

Розробка відрізняється комплексним урахуванням факторів, що впливають на формозміну металу (коефіцієнт витяжки, форма калібру та розкату, глибина дефектного шару), на деформацію поверхневого дефектного шару. Це дозволило прогнозувати змінення глибини вузьких поздовжніх поверхневих дефектів по периметру розкату на виході з осередку деформації та проектувати калібри, які забезпечують для заданої форми заготовки мінімальну глибину поверхневих дефектів.

3. На основі експериментальних даних визначено відповідність деформацій приконтактного шару та вузьких порожнистих поверхневих дефектів, які в ньому містяться.

Для умов прокатки у витяжних калібрах простої форми встановлена відповідність між формозміною реального вузького поздовжнього поверхневого дефекту та елементами сітки при об'ємному моделюванні. Це дозволило по даним про деформацію елементів прогнозувати величину зміни глибини поверхневих дефектів та встановлювати відповідні параметри технології.

4. Отримало подальший розвиток на основі комп'ютерного моделювання визначення зв'язку між обраними системами калібрів та деформацією приконтактного шару при прокатці простих профілів з інструментальних сталей.

Розробка відрізняється урахуванням впливу сполучення різних калібрів, що мають різні геометричні параметри, на деформацію приконтактного шару. Це дозволило розробити рекомендації по вдосконаленню технології прокатки із забезпеченням зменшення витрат металу.

Практичне значення отриманих результатів. Результати отриманих теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють:

- визначити характер розподілу деформацій в приконтактних шарах металу в залежності від впливу факторів прокатки в ромбічних, овальних, квадратних та круглих калібрах;

- визначити характер залежності трансформації поверхневих дефектів від початкової температури металу та режиму роботи валків;

- удосконалити метод розрахунку калібровки системи калібрів «ромб-квадрат» та «овал-круг»;

- рекомендувати режими прокатки зі зниженою температурою заготовки в умовах середньосортних станів, що дозволяє підвищити продуктивність стана із забезпеченням потрібної якості поверхні прокату,

- розробити пристрої для охолодження валків сортових станів при гарячій прокатці профілів простої форми.

На підставі результатів дисертаційної роботи:

- розроблені та запропоновані до впровадження рекомендації по удосконаленню калібровки інструменту при урахуванні зміни глибини поверхневих дефектів для прокатки профілів простої форми з інструментальних сталей на стані 550 ВАТ «Дніпроспецсталь» (акт від 10.02.2010 р.);

- розроблені та запропоновані до впровадження конструкції пристроїв для охолодження валків дрібносортного стана 320 ВАТ «Молдавський металургійний завод» (акт від 18.11.2009р.).

- розроблені та запропоновані заходи щодо реконструкції стана 350 «Хута Заверче» (довідка від 30.11.2009р.).

Результати, отримані в ході виконання дисертації, використовуються також в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при викладанні курсу «Технологія процесів прокатного виробництва» та «Калібрування та інструмент прокатного виробництва», при виконанні студентами дипломних проектів, випускних магістерських і курсових науково-дослідних робіт (довідка від 02.12.2009 р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Всі принципові теоретичні та експериментальні результати, які були отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, виконаних автором. Особистий внесок у спільних публікаціях (згідно з переліком опублікованих робіт): [1] - аналіз факторів, що впливають на стійкість сортових прокатних валків; [2] - аналіз способів підвищення ефективності охолодження прокатних валків; [3] - розробка методу теоретичного дослідження трансформації вузьких поздовжніх поверхневих дефектів з урахуванням об'ємного напружено-деформованого стану в осередку деформації при сортовій прокатці; порівняння отриманих результатів з експериментальними даними; [4] - дослідження закономірностей деформації приконтактного шару при прокатці в системі калібрів «ромб - квадрат»; [5] - дослідження закономірностей деформації приконтактного шару при прокатці в системі калібрів «овал - круг».

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції «Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні» (м. Краматорськ, 2003, 2004, 2007 р.р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми і перспективи розвитку процесів та машин обробки тиском» (м. Донецьк, 2008р.), Об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України і прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (м. Дніпропетровськ, 2002 - 2008 р.р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 5 статтях у спеціалізованих виданнях і тематичних збірниках.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків, викладена на 125 сторінках; містить: таблиць - 12, рисунків - 71, список використаних джерел з 101 найменування, додатків - 4.

2. Основний зміст роботи

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність її теми, визначені мета, завдання, об'єкт, предмет і методи дослідження, представлені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача і апробація результатів дисертації.

АНАЛІЗ СПОСОБІВ РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ ПРИ ВИРОБНИЦТВІ СОРТОВОГО ПРОКАТУ ПРОСТОЇ ФОРМИ

Проблема ресурсозбереження при виробництві сортового прокату може вирішуватися шляхом зменшення відходів металу, підвищення стійкості валків та зниження витрат енергії в технологічному процесі.

Стан поверхні металу має важливе значення для виробництва сортового прокату простої форми зі спеціальних сталей. Одним з головних показників стану поверхні є відсутність поверхневих дефектів.

Дефекти поверхні прокату з нелегованих і легованих сталей та сплавів підрозділяються на три основні групи: обумовлені якістю злитка та литої заготовки (розкатане забруднення, волосовина, розкатаний пузир, розкатана тріщина та ін.), такі що утворилися в процесі деформації (тріщина напруги, зморшки, закат, риска та ін.) і такі що утворилися при операціях обробки (залишки окалини, подряпина, вм'ятини та ін.). Значну долю складають «вузькі» повздовжні дефекти з відношенням глибини до ширини 3 та більше. Довжина цих дефектів може досягати 4 метрів. Це призводить до необхідності їх видалення шляхом механічного видалення всього дефектного поверхневого шару. Величина витрат металу визначається максимальною глибиною залягання дефектів. У зв'язку із цим становить інтерес дослідження впливу системи витяжних калібрів на поведінку поверхневих дефектів та їх глибину.

Дослідження викатки (зменшення глибини поверхневих дефектів при прокатці) поверхневих дефектів при прокатці в калібрах проводилися раніше багатьма авторами. Експериментальним дослідженням деформації прокату з поверхневими дефектами присвячені роботи таких учених як О.П. Чекмарьов, О.П.Носенко, Ю.В. Зільберг, В.М. Єршов, С.В. Єршов та ін. У більшості робіт розглядаються якісні залежності викатки дефектів від їхнього розташування в калібрі та загальні висновки про вплив напруженого стану в області дефекту на викатку (наявність схеми всебічного стиску сприяє збільшенню викатки дефектів). Також у зазначених роботах у недостатньому ступені представлені дані про поведінку та викатку дефектів по периметру калібру. В основному, наведені дані стосуються тільки трансформації дефектів в зонах вершини калібру та випуску. Крім цього, варто підкреслити трудомісткість та модельний характер багатьох експериментальних досліджень по викатці дефектів. У зв'язку з цим зростає актуальність застосування сучасних чисельних методів для аналізу трансформації дефектів.

Серед існуючих теоретичних робіт у цьому напрямку слід відзначити рішення за допомогою метода скінчених елементів задачі викатки поперечних дефектів листового прокату, отримані Ю.В. Зільбергом та А.А. Міленіним. Однак, отримані рішення відповідають двомірній деформації та не можуть бути використані при визначенні трансформації поздовжніх дефектів при сортовій прокатці.

Підвищення зносостійкості валків, крім зниження витрати валків на тонну готового прокату, сприяє збільшенню продуктивності прокатних станів та знижує час простоїв. Одним зі способів підвищення стійкості валків є оптимізація температурного режиму та удосконалення способів охолодження валків. Існуючі способи охолодження валків не враховують особливості технології прокатки та конструкції прокатної кліті. Внаслідок цього найбільше розповсюдження набули пристрої, що розташовані вертикально над валками та охолоджують дуже обмежений сегмент валка. Подальший розвиток систем охолодження валків потребує урахування розвитку процесів прокатки поділом та конструкції привалкової арматури.

Перспективним напрямком зниження енерговитрат є зменшення витрат палива за рахунок застосування низькотемпературної прокатки. Перший позитивний досвід використання такої технології був на товстолистових станах. Однак, впровадження низькотемпературної прокатки на сортових станах ускладнюється фіксованою кількістю проходів, особливостями формозміни металу в калібрах та обмеженою міцністю елементів кліті. Одним із шляхів зменшення витрат палива без суттєвої зміни технології виробництва сортового прокату є використання заготовок з незначним зниженням температури нагріву.

ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ДЕФОРМАЦІЇ ПРИКОНТАКТНИХ ШАРІВ МЕТАЛУ ПРИ ПРОКАТЦІ В КАЛІБРАХ ПРОСТОЇ ФОРМИ

Дослідження зміни глибини залягання поверхневих дефектів при прокатці проводилося з використанням програмного продукту Rolling3 (автор А.А. Міленін), призначеного для розрахунку теплового, напруженого та деформованого стану металу при прокатці.

Програма Rolling3 не дозволяє моделювати прокатку заготовок з вузькими поздовжніми дефектами прямим шляхом. Тому характер поведінки поверхневих дефектів запропоновано визначати на основі даних про деформацію окремих елементів скінченоелементної сітки. Кількість елементів сітки заготовки задається таким чином, щоб відстань між двома вузлами (один із яких розташований на поверхні) дорівнювали початковій глибині дефекту (Ндеф0).

В ході моделювання число елементів не змінюється, а їхня деформація відповідає деформованому стану прокату. Вимірявши відстань між відповідними вузлами поперечного перерізу розкату після моделювання (Ндеф1) і визначивши кут повороту дефекту (бдеф), можна зробити висновок про деформацію дефекту та глибину залягання дефекту після прокатки. Наприклад, координати вузлів А та В до та після деформації: ха0, уа0, х0, y0 та х1, у1, х1, y1. Тоді:

- глибина дефекту до та після деформації:

, (1); , (2);

- кут, що визначає положення дефекту в декартовій прямокутній системі координат до та після деформації:

, (3); , (4);

- зміна глибини залягання дефекту та кут повороту дефекту:

, (5); , (6).

Деформація поверхневого шару визначалася на підставі деформації окремих елементів скінченоелементної сітки в поперечному перерізі розкату. Вимірявши глибину шару розкату (розмір у напрямку нормалі до поверхні) після моделювання (), можна зробити висновок про його деформацію:

, (7)

де - логарифмічна деформація поверхневого шару після прокатки.

Величина характеризує викатку дефектів - зменшення глибини їхнього залягання та в остаточному підсумку визначає необхідну глибину їхнього зачищення.

Дослідження проводилися для систем калібрів «ромб - квадрат» та «овал - круг». Матеріал заготовки - сталь 4Х5МФС. Коефіцієнт витяжки змінювався від 1,1 до 1,32. Початкова глибина дефектів ~ 1…3 % від сторони (діаметра) заготовки. Кутова швидкість обертання валків - 20 1/с. Константа поверхні (за О.М. Левановим) - 0,65. Початкова температура прокатки - 1100 °С. Фактори, що варіюються, рівень та інтервал їх варіювання наведені в таблиці 1. Для схем прокатки «квадрат - ромб» та «круг - овал» використаний типовий план повного факторного експерименту 23, а для схем прокатки «ромб - квадрат» та «овал - круг» - 22.

Результати визначення зміни глибини поверхневого шару по стороні чверті заготовки наведені.

По осі абсцис відкладені відносні координати точок поверхневого шару до деформації , по осі ординат - логарифмічна деформація поверхневого шару після прокатки . Вертикальними лініями з круглими маркерами на графіках показана границя контакту метала з валком.

Таблиця 1 Рівні та інтервал варіювання факторів

Рівень та інтервал варіювання факторів	Фактори, що варіюються
	Коеф. витяжки	Початкова глибина дефекту, мм	Кут при вершині ромбічного калібру/ радіус овалу, мм
Нульовий рівень Хi = 0	1,22	3	118 / 347,5
Інтервал варіювання	0,8	1,5	18 / 256,5
Верхній рівень Хi = 1	1,3	4,5	136 / 604
Нижній рівень Хi = -1	1,14	1,5	100 / 91

При прокатці квадратної заготовки в «вузькому» ромбічному калібрі спостерігається рівномірна деформація поверхневого шару. Це пов'язано з подобою форми калібру й форми заготовки. Контактна деформація металу здійснюється практично по всьому периметру заготовки.

При прокатці в «широкому» ромбі інтенсивна деформація поверхневого шару відбувається тільки в області контакту заготовки з інструментом, а в області бічних позаконтактних зон глибина шару практично не змінюється.

Подібна картина спостерігається й для випадку прокатки ромбічної заготовки у квадратному калібрі.

Варто звернути увагу на збільшення глибини поверхневого шару в області початку бічних позаконтактних зон. Виникнення даного явища пояснюється впливом бічних зон.

Зменшення глибини поверхневого шару на бічній грані при прокатці ромбічної заготовки пояснюється інтенсивною деформацією внутрішніх шарів для даної схеми прокатки.

В цілому, для даної системи калібрів деформація поверхневого шару здійснюється рівномірно зі збільшенням глибини шару в позаконтактних бокових зонах.

Дослідження деформації поверхневого шару в системі «овал - круг» проводилось для чверті периметру. Результати наведено.

При прокатці в калібрі більшого радіусу максимальна деформація поверхневого шару більше, однак у позаконтактній зоні поверхневий шар практично не деформується. В калібрі з мінімальним радіусом деформації розподілені більш рівномірно. В більш «широкому» калібрі максимальна деформація трохи зміщена від вершини калібру: це пояснюється більш розвинутою зоною утрудненої деформації. В даній системі калібрів також спостерігається збільшення глибини поверхневого шару, але тільки для випадку прокатки овальної заготовки в круглому калібрі.

Для обох систем калібрів спостерігається однаковий вплив глибини поверхневого шару та коефіцієнту витяжки на деформацію приконтактного шару. При прокатці в «вузьких» калібрах початкова глибина шару не впливає суттєво на розподіл деформації по периметру. Однак, при прокатці в «широких» калібрах вплив початкової глибини шару значний: чим більше глибина шару, тим більш інтенсивно проходить його деформація. Із збільшенням коефіцієнту витяжки збільшується деформація поверхневого шару. У позаконтактній зоні, де відсутня безпосередня дія інструменту, коефіцієнт витяжки практично не має впливу на деформацію поверхневого шару.

Порівняльний аналіз результатів дослідження показує, що деформація поверхневого шару в калібрах системи «овал - круг» менш рівномірна, ніж в системі «ромб - квадрат», однак, при цьому має місце більш інтенсивне зменшення глибини поверхневого шару.

З використанням описаного методу було проведено дослідження впливу факторів прокатки та форми калібру на трансформацію поверхневих дефектів.

Вплив форми калібру. Були проведені дослідження зміни глибини поверхневих дефектів залежно від зміни кута при вершині ромбічного калібру.

Моделювання проводилося для наступних умов: заготовка - квадрат 20Ч20 мм; матеріал - сталь 12Х18Н9; ширина калібру - 23, 30 і 40 мм для значень кута при вершині 100, 130, 150° відповідно; діаметр валків по буртах - 205 мм; температура прокатки - 1100°С; швидкість прокатки - 3,5 м/с; величина коефіцієнта витяжки регулювалася зміною зазору від 2 до 10 мм.

Найбільша викатка спостерігається для значення кута при вершині калібру рівного 100°, найменша для 150°. Це підтверджує положення про позитивний вплив на викатку дефектів зниження нерівномірності деформації: при куті 100° контур калібру та контур заготовки схожі й це знижує «геометричну» нерівномірність деформації. Однак, при цьому не заповнюється металом кут при вершині калібру. Оптимальними з точки зору рівномірності зміни глибини поверхневих дефектів є значення коефіцієнта витяжки в межах 1,25...1,4. Отримані результати підтверджують практику використання «вузьких» ромбічних калібрів для прокатки інструментальних сталей.

Вплив температури заготовки перед прокаткою. Дослідження проводилося для систем калібрів «ромб - квадрат» та «овал - круг» за наступних умов: кутова швидкість обертання валків - 6 м/с, константа поверхні - 0,65, заготовка - ? 135Ч135 мм, Ш 150 мм, матеріал заготовки - сталь 4Х5МФС. Аналіз отриманих результатів показує незначний вплив температури заготовки перед прокаткою на зміну глибини залягання поверхневих дефектів. Вплив коефіцієнта тертя. Дослідження впливу коефіцієнта тертя проводилося для умов прокатки квадратної заготовки в ромбічному калібрі та круглої заготовки в овальному калібрі. Отримані результати показують несуттєвий вплив умов тертя на контакті на викатку вузьких поздовжніх поверхневих дефектів. Практичне та теоретичне значення має можливість аналітичного опису отриманих результатів. Пропонується визначати деформацію приконтактного шару по периметру розкату поліномом третього ступеню:

, (8)

де - логарифмічна деформація поверхневого шару після прокатки; - коефіцієнти, які залежать від параметрів процесу прокатки.

Кожен коефіцієнт, на основі отриманих даних може бути описаний як лінійна функція від коефіцієнту витяжки, початкової глибини поверхневого шару та геометричних параметрів калібру (кут при вершині ромбу або радіус овалу):

, (9)

де - коефіцієнт витяжки, - початкова глибина поверхневого шару, - кут при вершині ромбічного калібру, - радіус овального калібру. Приклад аналітичної функції для умов прокатки круглої заготовки в «вузькому» овальному калібрі наведено.

Отриманий аналітичний опис дає можливість визначення деформації поверхневого шару для умов прокатки, що знаходяться в межах наведених вище мінімальних та максимальних параметрів прокатки.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ТРАНСФОРМАЦІЇ ПОВЕРХНЕВИХ ДЕФЕКТІВ ПРИ ПРОКАТЦІ СОРТОВИХ ПРОФІЛІВ ПРОСТОЇ ФОРМИ

Додатково була проведена перевірка адекватності та тестування програми Rolling3. Порівняння результатів моделювання з експериментальними даними при прокатці зразків зі сталі 45 на лабораторному стані 175 показало добрий збіг в інтервалі обтиснень 40-60% і інтервалі витяжок 1,08-1,4. Максимальне відхилення результатів моделювання від експерименту склало близько 10%. При моделюванні прокатки зразків зі Ст.3 у калібрах максимальне відхилення отриманих значень коефіцієнта витяжки від експериментальних склало 10% при відносному обтисненні до 70%. Наведені результати підтверджують можливість використання програми Rolling3 для дослідження формозміни при сортовій прокатці.

Перевірку запропонованого способу дослідження глибини поверхневих дефектів було проведено для випадків прокатки в ящиковому, ромбічному та овальному калібрах. У першому випадку при прокатці квадратної заготовки 30Ч30 мм зі Ст.3, з дефектами глибиною 3 мм, нанесеними на двох гранях через кожні 5 мм, на лабораторному стані 200 максимальне відхилення результатів моделювання від експериментальних даних склало менш 10 %. Одержала підтвердження і якісна картина деформації дефектів: на контактній поверхні викатка відбувається більш інтенсивно, ніж на бічний.

Прокатка у ромбічному та овальному калібрі здійснювалась на стані 170 лабораторії кафедри ОМТ НМетАУ. Були прокатані квадратні (20Ч20Ч120 мм) свинцеві зразки з дефектами глибиною 2,5 мм, нанесеними на бічній грані через кожні 4 мм. Результати експериментального визначення глибини поверхневих дефектів і моделювання наведені на рисунках 11, 12. Максимальне відхилення результатів моделювання від експериментальних даних склало 15-20 %. Характер зміни деформації поверхневого шару по периметру при моделюванні та експериментально отримана зміна глибини вузьких поверхневих дефектів по периметру співпадають.

У такий спосіб можна зробити висновок про достатню точність вище описаного методу дослідження формозміни поверхневих дефектів з використанням програмного продукту Rolling3.

РОЗРОБКА ТА ВПРОВАДЖЕННЯ ЗАХОДІВ З РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ ПРИ ПРОКАТЦІ ПРОСТИХ ПРОФІЛІВ НА СОРТОВИХ СТАНАХ

На основі досліджень та порівняльного аналізу деформації поверхневих шарів металу в системах простих калібрів запропоновано для умов ЗАТ «Електрометалургійний завод «Дніпроспецсталь» імені О.М. Кузьміна» часткове або повне змінення схеми прокатки з метою зменшення обточки готового прокату. Замість існуючої класичної схеми з використанням в якості витяжної системи калібрів «ромб - квадрат» пропонується схема прокатки з витяжною системою «овал - круг». Проведені попередні розрахунки калібровки та комп'ютерне моделювання для умов прокатки круга Ш45 підтвердили можливість впровадження запропонованої схеми без впливу на точність прокату та енергосилові параметри процесу. Розрахункове зменшення обточки металу складає 20-50%.

На основі отриманих в роботі даних про вплив умов тертя та початкової температури прокатки на розвиток поверхневих дефектів розроблені заходи щодо зменшення ресурсовитрат для умов дрібносортових станів.

Розроблено та проведено попереднє випробування пристроїв охолодження валків чистової групи дрібносортної лінії стана 320/150 ЗАТ «Молдавський металургійний завод». Пристрій складається з двох симетричних блоків для охолодження верхнього та нижнього валка відповідно. Кожен блок забезпечує автономну регульовану подачу охолоджувача до зони виходу валків з осередку деформації, що дозволяє забезпечити однакові умови охолодження нижнього та верхнього валків. В процесі прокатки з використанням запропонованого охолоджуючого пристрою в якості критерію ефективності охолодження розглядалась маса прокатаного металу, а також якість його поверхні після транспортування на холодильник. Порівняльний аналіз отриманих даних показав, що при використані запропонованого пристрою, середня маса прокату з одного калібру збільшилась на 5,8% після першої переточки валків та на 24,6% після другої переточки.

За результатами моделювання встановлено, що температура впливає на викатку поверхневих дефектів несуттєво. Це дає можливість вважати, що зниження температури прокатки в незначних межах (100 °С) не впливає на якість поверхні та дозволяє рекомендувати зниження початкової температури металу при прокатці сортових профілів з метою зменшення витрат палива на нагрів металу в пічі. В окремому випадку зниження температури нагріву металу дозволяє вирішити задачу підвищення продуктивності пічі та, як наслідок, всього стана. Прокатка заготовок зі зниженою температурою нагріву запропонована разом з заходами по модернізації чистової групи клітей в пропозиціях по реконструкції стана 280 заводу «Huta Zaverche» (Польша). Згідно з попередніми розрахунками це дозволить підвищити продуктивність стана на 10-30%.

Висновки

У дисертації отримано теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає у визначенні закономірностей зміни глибини поверхневих дефектів шляхом експериментальних досліджень та комп'ютерного моделювання і розробці раціональних ресурсозберігаючих технологій гарячої прокатки сортових профілів простої форми.

1. На основі аналізу існуючого стану теорії і практики процесу гарячої сортової прокатки профілів простої форми і науково-технічної літератури показано, що дослідження, які спрямовані на визначення закономірностей зміни глибини поверхневих дефектів і розробку раціональних ресурсозберігаючих технологій гарячої прокатки сортових профілів простої форми, є актуальними.

2. Експериментально підтверджено можливість використання програмного продукту «Rolling3» (розробник А.А. Міленін) для дослідження зміни глибини поверхневих дефектів.

3. Отримали подальший розвиток теоретичні дослідження закономірності трансформації вузьких подовжніх поверхневих дефектів при прокатці інструментальних сталей в калібрах простої форми з урахуванням впливу форми та початкової глибини дефекту, температури прокатки, а також умов тертя, що дозволяє вибором технологічних параметрів процесу прокатки (температура, ступінь деформації, система калібрів) забезпечити мінімізацію глибини поверхневих дефектів та зниження витрат металу при механічній обробці готового прокату на 20-50 %. На основі отриманих даних запропоновані технологічні заходи із забезпечення необхідного температурного режиму роботи валків та прокатки, що дозволили підвищити стійкість валків та продуктивність виробництва на 10-30 %.

4. Отримали подальший розвиток теоретично визначенні закономірності розподілу деформації приконтактного шару інструментальних сталей по периметру калібрів простої форми при прокатці, з комплексним урахуванням таких факторів, як коефіцієнт витяжки, форма калібру та розкату, глибина дефектного шару, що дозволило прогнозувати змінення глибини вузьких поздовжніх поверхневих дефектів по периметру розкату на виході з осередку деформації та проектувати калібри, які забезпечують для заготовки заданої форми мінімальну глибину поверхневих дефектів.

5. На основі експериментальних даних підтверджено аналогію між деформацією приконтактного шару та вузького порожнистого поверхневого дефекту для умов прокатки в витяжних калібрах простої форми, що дозволило по даним про деформацію елементів об'ємної моделі прогнозувати величину зміни глибини поверхневих дефектів та встановити відповідні параметри технології. Максимальне відхилення результатів моделювання від експериментальних даних для умов прокатки в ящикових, ромбічних та овальних калібрах з коефіцієнтом витяжки від 1,3 до 1,6 склало 15-20 %.

6. Отримало подальший розвиток на основі комп'ютерного моделювання визначення зв'язку між обраними системами калібрів та деформацією приконтактного шару при прокатці простих профілів з інструментальних сталей з урахуванням впливу сполучення різних калібрів з різними геометричними параметрами на деформацію приконтактного шару, що дозволило розробити рекомендації по вдосконаленню технології прокатки із забезпеченням зменшення витрат металу.

7. Результати роботи використані при розробці рекомендацій по удосконаленню калібровки валків для прокатки профілів простої форми з інструментальних сталей з метою зменшення витрат металу в умовах стана 550 ЗАТ «Дніпроспецсталь» (довідка від 10.02.2010 р.) та при розробці пристроїв (довідка від 18.11.2009 р.) та технологій (довідка від 30.11.2009 р.), що забезпечують зменшення ресурсовитрат на дрібносортних станах, а також на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при викладанні курсу «Технологія процесів прокатного виробництва» та «Калібрування та інструмент прокатного виробництва», при виконанні студентами дипломних проектів, випускних магістерських і курсових науково-дослідних робіт (довідка від 02.12.2009 р.).

Основний зміст дисертації відображено у роботах

1. Губинский В.И. Эффективные способы охлаждения валков сортовых станов / В.И. Губинский, В.Н. Данченко, А.А. Рыбалов, А.А. Самсоненко // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: темат. сб. научн. тр. - 2004. - №2. - С. 577-580.

2. Рыбалов А.А. Проблема повышения эффективности охлаждения валков сортовых станов / А.А. Рыбалов, А.А. Самсоненко, В.А. Берковский, А.И. Крулик, А.К. Пищида // Теория и практика металлургии. - 2004. - №6. - С. 64-66.

3. Самсоненко А.А. Численное моделирование трансформации поверхностных дефектов в процессе прокатки / А.А. Самсоненко, А.А. Миленин, И.К. Огинский, В.Н. Данченко // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: темат. сб. научн. тр. - 2007. - №2. - С. 62-66.

4. Самсоненко А.А. Теоретическое исследование трансформации поверхностных дефектов при прокатке сортовых профилей простой формы / А.А. Самсоненко, В.Н. Данченко, А.А. Миленин, О.Я. Ярошенко // Научн. тр. «Металлургия». - 2008. - №10. - С. 100-104.

5. Самсоненко А.А. Теоретическое исследование влияния геометрии овального калибра на деформацию поверхностного слоя при прокатке простых профилей / А.А. Самсоненко, А.Н. Головко // Металл и литье Украины. - 2008. - №11. - С. 61-63.

Анотація

Самсоненко А.А. Основи раціональної технології сортової прокатки заготовок з інструментальних сталей зі зменшенням глибини поверхневих дефектів і зниженням ресурсовитрат. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2010.

Дисертація присвячена визначенню закономірностей зміни глибини поверхневих дефектів і розробці раціональних ресурсозберігаючих технологій гарячої прокатки сортових профілів простої форми. Визначено вплив таких факторів як початкова глибина дефекту, температура прокатки, умови тертя, коефіцієнт витяжки, форма калібру та розкату на розподіл деформації приконтактного дефектного шару при прокатці заготовок з інструментальних сталей в калібрах простої форми. Також визначено зв'язок між обраними системами калібрів та деформацією приконтактного шару при прокатці простих профілів з інструментальних сталей. Теоретичний аналіз впливу вищезазначених технологічних факторів проведено за допомогою спеціальної комп'ютерної моделі, призначеної для розрахунку теплового, напруженого та деформованого стану металу при прокатці. На основі експериментальних даних підтверджено відповідність деформацій приконтактного шару та вузьких порожнистих поверхневих дефектів, які в ньому містяться. Розроблено рекомендації по удосконаленню калібровки валків та технології прокатки, а також пристрої для охолодження валків в умовах середньосортних та дрібносортних станів, що забезпечують зменшення ресурсовитрат при прокатці сортових профілів простої форми.

Ключові слова: сортова прокатка, прості профілі, глибина поверхневих дефектів, поверхневий шар, система калібрів, ресурсовитрати.

Аннотация

Самсоненко А.А. Основы рациональной технологии сортовой прокатки заготовок из инструментальных сталей с уменьшением глубины поверхностных дефектов и снижением ресурсозатрат. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2010.

Диссертация посвящена определению закономерностей изменения глубины поверхностных дефектов и разработке рациональных ресурсосберегающих технологий горячей прокатки сортовых профилей простой формы из инструментальных сталей.

Теоретически исследовано влияние таких факторов как начальная глубина дефекта, температура прокатки, условия трения, коэффициент вытяжки, форма калибра и проката на распределение деформации приконтактного дефектного слоя при прокатке заготовок из инструментальных сталей в калибрах простой формы. Теоретический анализ влияния вышеуказанных технологических факторов проведен с помощью специальной компьютерной модели, предназначенной для расчета теплового напряженного и деформированного состояния металла при прокатке. Показано, что выбором технологических параметров процесса прокатки можно обеспечить максимальную выкатку поверхностных дефектов и, таким образом, снизить потери металла при механической обработке заготовок. Данные исследования позволяют разрабатывать мероприятия по оптимизации температурного режима прокатки и работы валков.

Получило дальнейшее развитие определение закономерностей распределения деформации приконтактного дефектного слоя инструментальных сталей по периметру калибров простой формы при прокатке с учетом комплексного влияния коэффициента вытяжки, формы калибра и заготовки, глубины дефектного слоя. Показано, что возможность прогнозирования изменения глубины узких продольных поверхностных дефектов по периметру проката позволяет проектировать калибры, которые обеспечивают для заданной формы заготовки минимальную глубину поверхностных дефектов. Определена связь между выбранными системами калибров и деформацией приконтактного слоя при прокатке простых профилей из инструментальных сталей.

На основе экспериментальных данных подтверждено соответствие деформации приконтактного слоя и узких пустых поверхностных дефектов, которые в нем содержатся. Это позволило по данным о деформации поверхностного слоя полученным путем моделирования устанавливать соответствующие параметры технологии прокатки сортовых профилей простой формы.

Разработаны рекомендации по усовершенствованию калибровки валков и технологии прокатки, а также устройства для охлаждения валков в условиях среднесортного и мелкосортных станов, обеспечивающие уменьшение ресурсозатрат при прокатке сортовых профилей простой формы.

Результаты работы использованы в условиях стана 550 ЗАО «Днепроспецсталь», стана 320/150 ВАТ «Молдавский металлургический завод», стана 280 завода «Huta Zaverche» и на кафедре обработки металлов давлением Национальной металлургической академии Украины.

Ключевые слова: сортовая прокатка, простые профили, глубина поверхностных дефектов, поверхностный слой, система калибров, ресурсозатраты.

Abstract

Samsonenko A.A. Fundamentals of rational rolling technology for tool steel profiled billets with a decreased surface defects depth and reduced resource consumption. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical sciences on a specialty 05.03.05 - Processes and machines of processing by pressure. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovs'k, 2010.

The dissertation is devoted to the development of sustainable resource technologies for hot rolling of tool steel simple shape profiles, with taking into account the laws of change of the surface defects depth. The influence of factors such as initial defect depth, the temperature of rolling, friction conditions, the elongation coefficient, the shape of groove and profile on the strain distribution in the near-contact defect layer by the rolling of tool steel billets in the simple form passes. Also, the link between the chosen system of passes and deformation of the contact layer during simple profiles rolling of tool steel is described. The theoretical analysis of the above mentioned technological factors is carried out with the using of special software for calculate of thermal, stress and strain state by the rolling. It is confirmed on the basis of experimental data the compliance of the deformation of the contact layer and narrow empty surface defects that it contains. The recommendations for the improvement of roll pass and rolling technology, as well as devices for rolls cooling and of medium-profile mills that reduce resource consumption by simple form profiles rolling.

Keywords: profiled rolling, simple profiles, the depth of surface defects, surface layer, the passes system, resource consumption.

Размещено на Allbest.ru

...