Совершенствование технологий формообразования полос и листов на основе развития теории симметричной и асимметричной горячей прокатки

Теоретический анализ влияния переднего и заднего натяжений подтвердил результаты экспериментальных исследований (например, В.П.Калинина и В.Н. Выдрина), свидетельствующие о том, что на величину уширения оказывает значительное влияние заднее натяжение, а переднее практически не влияет, перераспределяя величины уширения в зонах опережения и отставания, причем суммарное уширение остается неизменным.

В выражение суммарной мощности прокатки (6) с разными знаками входят мощности переднего и заднего натяжений. В случае равенства этих мощностей по модулю величина уширения при прокатке с натяжением должна совпадать с величиной уширения при прокатке без натяжения. Однако, многочисленные экспериментальные исследования (А.П.Чекмарев, В.Н.Выдрин, В.П.Калинин) свидетельствуют, что величина уширения при прокатке с передним и задним натяжением меньше, чем при прокатке без натяжений или только с передним или только с задним натяжением. Показано, что приложение натяжений является причиной возникновения краевого эффекта: во входном и выходном сечениях очага деформации в прикромочных областях появляются дополнительные продольные напряжения растяжения и поперечные напряжения сжатия, способствующие уменьшению ширины полосы в чистовой группе (утяжке). Эти напряжения являются причиной появления мощностей дополнительных сил, которые нужно учитывать при вычислении суммарной мощности прокатки с натяжением.

На основании проведенных исследований предложен способ уменьшения утяжки полосы в чистовой группе клетей путем настройки усилий противоизгиба рабочих валков для прокатки с тенденцией на краевую волнистость. Этот способ уменьшает утяжку полосы на 3-5 мм.

Распределение остаточных напряжений в полосе при прокатке с уширением

Известно, что процесс уширения полосы при листовой прокатке уменьшает неравномерность остаточных напряжений по ширине полосы, при этом плоскостность прокатываемой полосы улучшается. Для количественной оценки влияния процесса уширения на уменьшение амплитуды неравномерности распределения остаточных напряжений по ширине полосы применена модель линейного распределения уширения вдоль очага деформации. Распределение продольных скоростей по очагу деформации описано функцией

,

где - длина очага деформации, - усредненная по ширине продольная скорость металла в сечении .

Неравномерности распределений входных и выходных скоростей металла заданы функциями и соответственно; в этих выражениях - амплитуда входной неравномерности скоростей металла; - текущая ширина полосы в очаге деформации; - коэффициент, учитывающий влияние поперечного перемещения металла в очаге пластической деформации на распределение остаточных напряжений по ширине полосы.

С использованием вариационного принципа виртуальных скоростей получена математическая модель, представляющая собой систему трех уравнений, каждое из которых является условием минимума мощности прокатки для варьируемых , и . Нужно отметить, что при вычислении полной мощности прокатки необходимо учесть следующие мощности:

- мощность, расходуемую на накопление полосой потенциальной энергии

,

где , - усредненное по ширине переднее удельное натяжение, - модуль упругости материала полосы;

- мощность, вносимая полосой в очаг деформации

,

где , - усредненное по ширине заднее удельное натяжение.

С помощью разработанной модели проведен анализ влияния параметров прокатки и полосы на величину коэффициента . Результаты расчета не показали сколько-нибудь значимой зависимости амплитуды и знака входной неравномерности скоростей металла на величину свободного уширения и коэффициент . Это можно объяснить тем, что поперечные перемещения металла в очаге деформации при свободном уширении значительно выше поперечных перемещений, которые требуются для перераспределения продольных напряжений в полосе при прокатке без уширения.

В таблице 1 представлены результаты расчета коэффициента для следующих условий: входная толщина полосы = 10 мм; обжатие 50%; коэффициент трения = 0,3; модуль упругости Е = МПа; предел текучести материала полосы на сдвиг = 50 МПа; радиус валков = 400 мм; ; функция неравномерности распределения входных скоростей металла . Расчет проведен для условий свободного уширения полосы, а затем при ограниченном уширении, равном половине свободного.

Анализ результатов расчета показывает, что при уменьшении ширины полосы выравнивающая способность очага деформации и интенсивность уменьшения

Таблица 1 - Результаты расчета

остаточных напряжений в полосе увеличивается. Если же создать стесненные условия для развития уширения, например, как при прокатке в ящичном калибре, то выравнивающая способность очага деформации уменьшается, причем интенсивность уменьшения выравнивающей способности тем больше, чем выше степень стесненности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

На основе развития и обобщения теоретических положений симметричной и асимметричной горячей прокатки, формообразования полос и листов с широким привлечением современных методов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях изложены научно обоснованные технические и технологические решения по производству листового проката повышенного качества, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны за счет экономии энергетических и материальных ресурсов и повышения эффективности действующего прокатного оборудования.

В диссертации получены новые научные результаты в следующих областях:

1. В теоретическом описании формирования профиля поперечного сечения и плоскостности горячекатаных полос при симметричной и асимметричной прокатке с учетом поперечного перемещения металла в очаге деформации:

- впервые в явном виде получено уравнение, описывающее распределение погонной нагрузки по ширине полосы в зависимости от условий прокатки и параметров полосы, вывод которого основан на принципе возможного изменения деформированного состояния для жестко-пластической среды; разработана методика оценки влияния анизотропии условий трения вдоль и поперек бочки рабочих валков, а также формы эпюры переднего натяжения на формообразование полос и листов;

- разработана методика совместного решения задачи неравномерной пластической деформации полосы и упругой деформации четырехвалковой системы с осевой сдвижкой рабочих валков, получившая подтверждение в ходе экспериментов в промышленных условиях;

- получено аналитическое выражение для распределения продольных напряжений по длине и ширине полосы при её нагружении самоуравновешенной эпюрой, которое можно использовать при описании продольных напряжений на расстояниях от места приложения самоуравновешенной эпюры вплоть до 0,8 ширины полосы; на больших расстояниях амплитуда возмущения составляет менее 5% исходной;

- на основе исследований предложен новый способ регулирования плоскостности прокатываемых полос, заключающийся в создании такой формы эпюры переднего натяжения, которая компенсирует возникшую неплоскостность;

- разработанные способы прокатки позволяют уменьшить уровень остаточных напряжений по ширине горячекатаных полос и листов в 1,5 - 2 раза.

2. В разработке научно-практических основ построения профилировок рабочих валков клетей с осевой сдвижкой:

- установлено, что для сохранения симметричности поперечного сечения прокатываемых полос при осевой сдвижке рабочих валков функции, описывающие активные образующие верхнего и нижнего рабочих валков, должны удовлетворять условию кососимметричности; разработана методика построения профилировок различного назначения рабочих валков клетей с их осевой сдвижкой при использовании произвольных функций;

- установлено, что осевая сдвижка рабочих валков с профилировокой CVC изменяет коэффициент вытяжки прокатываемых полос и таким образом вносит возмущение в процесс прокатки; предложено компенсировать это возмущение коррекцией величины межвалкового зазора, которая в зависимости от величины осевой сдвижки и параметров профилировки рабочих валков CVC может превышать 0,1 мм; использование этой методики в АСУ ТП прокатных станов позволяет стабилизировать силовые параметры прокатки и геометрические полосы при осевой сдвижке;

- предложена и внесена в Технологическую инструкцию Производства горячего проката ОАО “НЛМК” методика расчета коэффициентов профилировок CVC рабочих валков НШСГП 2000, обеспечивающих минимальное изменение коэффициента вытяжки при осевой сдвижке, а также внедрена программа шлифовки рабочих валков CVC НШСГП 2000 по разработанной методике; внедренные профилировки CVC позволили увеличить стабильность толщины головных частей прокатываемых на НШСГП 2000 ОАО «НЛМК» полос в среднем на 25%;

- разработана методика оценки уменьшения амплитуды неравномерности остаточных напряжений по ширине полосы при листовой прокатке в рабочих валках с малой встречной конической профилировкой; предложен способ прокатки в рабочих валках с встречной конической профилировкой, улучшающий плоскостность прокатываемых полос и листов при сохранении на обоих контактных поверхностях зон опережения и отставания - для НШСГП 2000 ОАО «НЛМК» рекомендован угол конусности 0,003 0,01 радиан; этот способ целесообразно использовать на толстолистовых станах, особенно на станах 5000 - при прокатке по этому способу остаточные напряжения можно уменьшить на 5-15 МПа;

3. В теоретическом описании кинематических и силовых параметров асимметричной прокатки полос и листов:

- получены выражения для величин нейтральных углов, уточненные условием равенства вертикальных составляющих действующих в очаге деформации сил, определено положение нулевой линии, на которой вертикальная компонента скорости перемещения металла в очаге деформации равна нулю, а также получено выражение для среднего контактного давления при прокатке в валках неодинакового диаметра, вращающихся с одинаковой угловой скоростью, с учетом положения нулевой линии;

- разработана математическая модель распределения погонной нагрузки и остаточных напряжений по ширине полосы, объясняющая улучшение плоскостности прокатываемых полос и листов при асимметричной прокатке.

4. В разработке теоретических положений листовой горячей прокатки с уширением:

- теоретически обоснована кинематическая допустимость поля скоростей металла в очаге деформации, поперечная компонента которого имеет степенную зависимость от координаты, на основе которого разработана математическая модель процесса уширения при листовой горячей прокатке, получившая подтверждение в промышленных и лабораторных условиях;

- показано, что для теоретического анализа процесса утяжки при листовой горячей прокатке с натяжением необходимо учитывать дополнительные мощности, которые развивают растягивающие и сжимающие напряжения, возникающие в плоскостях входного и выходного сечений очага деформации;

- разработана математическая модель распределения остаточных напряжений по ширине полосы при симметричной прокатке, объясняющая эффект улучшения плоскостности полосы при прокатке с уширением;

- предложен способ уменьшения утяжки на 3-5 мм в чистовой группе клетей путем настройки усилий противоизгиба рабочих валков на прокатку с тенденцией на краевую волнистость.

Результаты диссертации внедрены в ОАО «НЛМК», а также используются в учебном процессе ЛГТУ и составляют содержание трех учебных пособий для вузов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Бельский, С.М. Деформация полосы при симметричной и асимметричной прокатке [Текст]: учебное пособие для вузов./ С.М. Бельский // Липецк: ЛГТУ, 2008. - 235 с.

2. Бельский, С.М. Определение усилия прокатки вариационным методом [Текст] / С.М. Бельский // “Современная металлургия начала нового тысячелетия”. Труды международной научно-технической конференции. - Ч.3. - Липецк: ЛГТУ, 2006. С.152-158.

3. Бельский, С.М. Применение энергетического метода к расчету остаточных напряжений в полосе при тонколистовой прокатке [Текст] / С.М. Бельский // Вести вузов Черноземья. 2007. № 3. С. 96-100.

4. Бельский, С.М. Плоскостность горячекатаной полосы при ее неравномерном охлаждении на выходе из клети [Текст] / С.М. Бельский // “Cовременные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов“. Труды международной научно-практической конференции. - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2007. C.32-34.

5. Бельский, С.М. Влияние формы эпюры переднего удельного натяжения на распределение давления прокатки и выходных напряжений по ширине полосы [Текст] / С.М. Бельский // Изв.вузов. Чёрная металлургия. 2008. № 1. -C.43-46.

6. Бельский, С.М. Влияние скоростной асимметрии при тонколистовой прокатке на плоскостность полосы [Текст] / С.М. Бельский // Изв.вузов. Чёрная металлургия. 2008. № 3. - C.44-48.

7. Бельский, С.М. Распределение давления прокатки и остаточных напряжений по ширине полосы при скоростной асимметрии полосы [Текст] / С.М. Бельский // “Производство проката. 2008. № 4. - C.22-29.

8. Бельский, С.М. Влияние уширения на остаточные напряжения в полосе при листовой прокатке [Текст] / С.М. Бельский // Производство проката. 2008. № 5. - C.18-22.

9. Бельский, С.М. О некоторых эффектах применения осевой сдвижки [Текст] / С.М. Бельский // Производство проката. 2008. № 7. - C.21-24.

10. Бельский, С.М. Остаточные напряжения в полосе при листовой прокатке с уширением [Текст] / С.М. Бельский // “Теория и практика производства листового проката”. Труды международной научно-технической конференции. Ч.2. - Липецк: ЛГТУ, 2008. С.34-41.

11. Бельский, С.М. О некоторых эффектах тонколистовой прокатки в рабочих валках с встречной конической профилировкой [Текст] / С.М. Бельский // “Обработка сплошных и слоистых материалов.” Сборник научных трудов. Вып. №35. - Магнитогорск: 2008. C.160-168.

12. Поляков, Б.А. Вариационные принципы решения упруго-пластической задачи распределения деформаций по ширине полосы с учётом поперечного течения металла в очаге пластической деформации [Текст] / Б.А. Поляков, С.М. Бельский // “Теоретические проблемы прокатного производства”. Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции - Ч.2. - Днепропетровск: ДметИ, 1988. С.82. (авт. - 0,5 стр.)

13. Бельский, С.М. Расчёт распределения усилия прокатки по ширине полосы и остаточных напряжений в полосе вариационным методом [Текст] / С.М. Бельский, С.Л. Коцарь, Б.А. Поляков // Изв.вузов. Чёрная металлургия. 1990. № 10. - C.32-34. (авт. - 1,5 стр.)

14. Поляков, Б.А. Управление противоизгибом в HCW-клетях чистовой группы широкополосного стана [Текст] / Б.А. Поляков, В.А. Третьяков, С.М. Бельский // “Современные достижения теории и практики тонколистовой прокатки”. Тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Липецк: 1990. С.15. (авт. -0,5 стр.)

15. Способ прокатки полос [Текст] : а.с. 1761314 SU: МКИ В 21 В 27/02 / Коцарь С.Л., Поляков Б.А., Бельский С.М., Третьяков В.А. - № 4879326/27; заявл. 31.10.90; опубл. 15.09.92, Бюл. № 34. - 6 с: ил.

16. Бельский, С.М. Управление противоизгибом в клетях с осевой сдвижкой рабочих валков [Текст] / С.М. Бельский, Б.А. Поляков, В.А. Третьяков // Изв. вузов. Чёрная металлургия. 1992. № 6. - C.15-17. (авт. - 1,5 стр.)

17. Коцарь, С.Л. Экспериментальная проверка математических моделей прокатки с имитацией осевой сдвижки валков [Текст] / С.Л. Коцарь, В.А. Третьяков., С.М. Бельский, Б.А. Поляков, А.Г. Савочкин // Сталь. 1993. №2. - С.53-55. (авт. - 1 стр.)

18. Третьяков, В.А. Исследование процесса деформирования сляба в вертикальных клетях методом конечных элементов [Текст] / В.А. Третьяков., В.В. Барышев, С.В. Кудинов, С.М. Бельский, Ю.А. Бокачёв // “Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века”. Сборник трудов межгосударственной научно-технической конференции - Т.1. - Магнитогорск: 1996. С.167-171. (авт. - 1 стр.)

19. Третьяков, В.А. О применении повышенных усилий противоизгиба при листовой прокатке [Текст] / В.А. Третьяков, С.М. Бельский, Б.А. Поляков // “Обработка сплошных и слоистых материалов”. Сборник научных трудов. - Магнитогорск: 1996. С.30-35. (авт. - 3 стр.)

20. Бельский, С.М. Вариационные методы в обработке металлов давлением [Текст]: учебное пособие./ С.М. Бельский, В.В. Барышев, В.А. Третьяков // Липецк: ЛГТУ, 1996. - 56 с. (авт. - 20 стр.)

21. Бельский, С.М. Исследование процесса формирования ширины сляба в черновой группе широкополосного стана [Текст] / С.М. Бельский, В.А. Третьяков, В.В. Барышев, С.В. Кудинов // Изв.вузов.Чёрная металлургия. 1998. № 1. - C.24-29. (авт. - 2 стр.)

22. Коцарь, С.Л. Основы технологии и исполнительные механизмы беспрограммной прокатки [Текст] / С.Л. Коцарь, В.А. Третьяков, В.В. Барышев , Б.А. Поляков, Е.А. Варшавский, С.М. Бельский // Производство проката. 1999. № 1. - C.14-23. (авт. - 3 стр.)

23. Скороходов, В.Н. Уширение при прокатке полос [Текст] / В.Н. Скороходов, П.П. Чернов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // “Материаловедение и высокотемпературные технологии”. Сборник научных трудов. - Н.Новгород: 2000. С.155-159. (авт. - 2 стр.)

24. Скороходов, В.Н. Математическая модель процесса свободного уширения при прокатке полос [Текст] / В.Н. Скороходов, П.П. Чернов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // Сталь. 2001. № 3. - C.38-40. (авт. - 1 стр.)

25. Скороходов, В.Н. Влияние местного утолщения на распределение усилия прокатки и остаточных напряжений по ширине полосы [Текст] / В.Н. Скороходов, П.П. Чернов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // “Теория и практика производства проката”. Труды международной научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 2001. С. 292-297. (авт. - 2 стр.)

26. Скороходов, В.Н. Форма кромок прокатываемой полосы в процессе уширения [Текст] / В.Н. Скороходов, П.П. Чернов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // “Теория и практика производства проката”. Труды международной научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 2003. С.48-52. (авт. - 2 стр.)

27. Бельский, С.М. Влияние анизотропии трения на распределение усилия прокатки и остаточных напряжений по ширине полосы [Текст] / С.М. Бельский, Ю.А. Мухин // // “Теория и практика производства проката”. Труды международной научно-технической конференции. - Ч. II. - Липецк: ЛГТУ, 2005. С.43-48. (авт. - 4 стр.)

28. Бельский, С.М. Области влияния локального утолщения при листовой прокатке [Текст] / С.М. Бельский, Ю.А. Мухин “Обработка сплошных и слоистых материалов”. // Сборник научных трудов. - Магнитогорск: 2006. C.8-12. (авт. - 3 стр.)

29. Скороходов, В.Н. Нейтральные углы при прокатке в валках неравных диаметров, вращающихся с одинаковой угловой скоростью [Текст] / В.Н. Скороходов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // Производство проката. 2006. № 5. - C.2-5. (авт. - 2 стр.)

30. Скороходов, В.Н. Контактное давление при тонколистовой прокатке в валках неравных диаметров, вращающихся с одинаковой угловой скоростью [Текст] / В.Н. Скороходов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // Производство проката. 2007. № 2. - C.15-20. (авт. - 3 стр.)

31. Скороходов, В.Н. Влияние конусности рабочих валков на снижение напряжений, распределенных по ширине прокатываемой полосы [Текст] / В.Н. Скороходов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // Производство проката. 2007. № 3. - C.2-5. (авт. - 2 стр.)

32. Мухин, Ю.А. Протяженность зоны влияния самоуравновешенной составляющей эпюры продольных упругих напряжений [Текст] / Ю.А. Мухин, И.П. Мазур, С.М. Бельский // “Физико-механические проблемы формирования структуры и свойств материалов методами обработки давлением”. Труды международной научно-технической конференции. - Краматорск, Украина: 2007. С.398-402. (авт. - 2 стр.)

33. Мухин, Ю.А. Затухание амплитуды самоуравновешенной эпюры продольных упругих напряжений в прокатываемой полосе [Текст] / Ю.А. Мухин, И.П. Мазур, С.М. Бельский // “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности“. Труды III международной научно-практической конференции. Т.9. Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2007. С.244. (авт. - 0,5 стр.)

34. Мухин, Ю.А. О допустимости одного упрощения при рассмотрении процесса несимметричной тонколистовой прокатки [Текст] / Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // Производство проката. 2007. № 7. - C.11-13. (авт. - 1 стр.)

35. Мухин, Ю.А. Выравнивающая способность очага деформации при тонколистовой прокатке в условиях скоростной асимметрии [Текст] / Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // “Cовременные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов“. Труды международной научно-практической конференции. - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2007. C.103-108. (авт. - 4 стр.)

36. Скороходов, В.Н. Энергетический баланс и величина нейтральных углов при прокатке в валках неравных диаметров [Текст] / В.Н. Скороходов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский // Производство проката. 2007. № 9. - C.15-18. (авт. - 3 стр.)

37. Мухин, Ю.А. Задача определения границ зоны Сен-Венана для самоуравновешенной эпюры [Текст] / Ю.А. Мухин, И.П. Мазур, С.М. Бельский // Изв.вузов.Чёрная металлургия. 2007. № 9. - C.16-19. (авт. - 2 стр.)

38. Бельский, С.М. Нейтральные углы и контактное давление при тонколистовой прокатке со скоростной асимметрией [Текст] / С.М. Бельский, Ю.А. Мухин // Производство проката. 2007. № 11. - C.13-17. (авт. - 3 стр.)

39. Скороходов, В.Н. Особенности профилировок рабочих валков для клетей с осевой сдвижкой. Сообщение 1 [Текст] / В.Н. Скороходов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский, С.И. Мазур // Производство проката. 2007. № 12. - C.17-19. (авт. - 1,5 стр.)

40. Бельский, С.М. Динамика процессов прокатки [Текст]: учебное пособие./ С.М. Бельский, А.В. Басуров, И.П. Мазур // Липецк: ЛГТУ, 2007. - 64 с. (авт. - 32 стр.)

41. Скороходов, В.Н. Особенности профилировок рабочих валков для клетей с осевой сдвижкой. Сообщение 2 [Текст] / В.Н. Скороходов, Ю.А. Мухин, С.М. Бельский, С.И. Мазур // Производство проката. 2008. № 1. - C.21-23. (авт. - 2 стр.)

42. Бельский, С.М. Влияние напряжений в сечениях входа и выхода очага деформации на величину уширения металла при тонколистовой прокатке [Текст] / С.М. Бельский, Ю.А. Мухин, И.П. Мазур // “Теория и практика производства листового проката”. Труды международной научно-технической конференции. Ч.2. - Липецк: ЛГТУ, 2008. С.18-25. (авт. - 4 стр.)

43. Бельский, С.М. Теоретический анализ влияния натяжений на уширение металла при тонколистовой прокатке [Текст] / С.М. Бельский, Ю.А. Мухин, И.П. Мазур // Производство проката. 2008. № 11. - C.13-18. (авт. - 3 стр.)

44. Патент RU 2344888 С1 В21В 1/00. Способ прокатки листовой стали / Бельский С.М., Мухин Ю.А., Бахаев К.В. - № 2007120226/02; заявл. 30.05.2007; опубл. 27.01.2009. Бюл. № 3.

Размещено на Allbest.ru