автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование, разработка и внедрение эффективных технологий производства полос и лент из стали и сплавов цветных металлов с заданными структурой и свойствами

На правах рукописи

АЛДУНИН Анатолий Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛОС И ЛЕНТ ИЗ СТАЛИ И СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ С ЗАДАННЫМИ СТРУКТУРОЙ

И СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 2 СЕН 2011 .

Москва-2011

4853517

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете.

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук Чиченёв Николай Алексеевич;

профессор, доктор технических наук Гарбер Эдуард Александрович;

доктор технических наук Трайно Александр Иванович.

Ведущая организация: ОАО «Институт Цветметобработка».

Защита диссертации состоится 2 ноября 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.060.02 при Учреждении Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН (Москва, Ленинский проспект, дом 49).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 49, Диссертационный совет Д 002.060.02, а также по электронной почте по адресу shelest99@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН (Москва, Ленинский проспект, дом 49).

Автореферат разослан « 5 » СВНМЯбрЯ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, г-—?

профессор, доктор технических наук А.Е. Шелест

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Расширение номенклатуры изготавливаемых конструкций, машин и приборов, эксплуатируемых в сложных условиях нагру-жения, предъявляет все более жесткие требования к комплексу физико-механических свойств и точности геометрических размеров полосового проката из стали и цветных металлов. Решающее влияние на структуру и свойства готовой продукции оказывают температурно-деформационные и скоростные условия горячей прокатки, последующего охлаждения и термообработки.

За последние десятилетия решены многие проблемы повышения эффективности процессов производства полосового проката. Однако, несмотря на большое число проведенных теоретических и экспериментальных исследований, актуальной остается проблема улучшения потребительских свойств производимых полос и обеспечения требуемого качества продукции из новых сплавов при минимальных затратах материальных и энергетических ресурсов.

Еще недостаточно изучены закономерности формирования структуры металла в процессе дробной деформации при горячей прокатке, а также не исчерпан ресурс пластичности и упрочнения новых материалов. Основные характеристики используемого технологического оборудования не всегда обеспечивают осуществление оптимальных по качественным показателям технологических режимов.

В связи с дальнейшим освоением быстродействующей управляющей и вычислительной техники большую актуальность имеют вопросы математического описания технологических процессов, включая физические явления в обрабатываемом металле, и разработки критериев оптимальности управления этими процессами.

Таким образом, исследование основных закономерностей формирования структуры и свойств при прокатке полос из различных металлов и сплавов, технологических и силовых ограничений, разработка математических моделей и алгоритмов имеют важное научное и практическое значение. Разработка на этой базе новых технологических и технических решений является актуальной задачей для листопрокатного производства.

Работа выполнена в соответствии с планами НИР МИСиС, ЛГТУ и МГОУ. Результаты исследований отмечены Серебряной медалью Международной выставки «Метапл-Экспо» в 2005 году.

Цель работы. Совершенствование технологий производства полос и лент, разработка новых решений по управлению процессом их прокатки с использованием основных закономерностей формирования структуры и пластичности металла для получения заданных физико-механических свойств проката.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:

1) совершенствование методики физического моделирования условий формирования структуры низкоуглеродистой стали при дробной горячей деформации и последующем охлаждении применительно к условиям НШСГП;

2) разработка методики исследования продольной устойчивости прокатываемых полос при их боковом обжатии вертикальными валками;

3) исследование основных закономерностей и построение математических моделей формирования структуры и физико-механических свойств низкоуглеродистой стали и сплавов цветных металлов в условиях непрерывного и реверсивного полосовых станов горячей прокатки;

4) исследование напряженно-деформированного состояния прокатываемых полос с целью выравнивания распределения деформации по толщине, стабилизации уширения, обеспечения их продольной устойчивости в вертикальных валках и уточнения модели формирования структуры металла;

5) разработка основных принципов оптимизации процессов горячей прокатки полос по структуре и пластичности металла для создания на их основе усовершенствованных технологий производства, обеспечивающих повышение однородности физико-механических свойств готового проката;

6) использование результатов исследований при создании и внедрении новых технологических решений, обеспечивающих улучшение качества проката и повышение выхода годного.

Научная новизна. 1. Установлены основные закономерности и разработаны математические модели формирования заданной структуры при непрерывной горячей прокатке полос, учитывающие влияние параметров напряжен-

но-деформированного состояния металла в очаге пластической деформации; уточнена трехмерная диаграмма рекристаллизации аустенита стали СтЗсп в координатах «обратная температура - логарифм относительного обжатия - логарифм времени» для условий завершения первичной рекристаллизации и впервые построена подобная диаграмма для сплава «цинк-титан», позволяющие оптимизировать режим горячей прокатки полос по структуре и повышать однородность физико-механических свойств проката.

2. В результате уточнения и развития теории продольной устойчивости прокатываемых полос в горизонтальных и вертикальных валках полосового стана, минимизации процессов уширения, более полного использования ресурса пластичности металла и распределения деформации по толщине полосы установлены допустимые пределы изменения относительного обжатия, напряжения натяжения, температуры и скорости деформации для стабилизации процесса прокатки и улучшения качества металла.

3. Научно обоснована и разработана методология построения алгоритма расчета начальной настройки чистовой группы клетей НШСГП на производство проката с заданными структурой и механическими свойствами.

4. Разработаны и научно обоснованы зависимости физико-механических свойств бериллиевой бронзы и цинк-титанового сплава от основных технологических параметров, позволяющие производить прокат требуемого качества с широким диапазоном свойств в соответствии с международными стандартами.

5. Впервые установлена обобщенная зависимость величины предельного относительного обжатия е„ раската от отношения размеров И/Ь и модуля упругости Е в широком диапазоне их изменения при прокатке сплавов черных и цветных металлов в вертикальных валках полосовых станов для получения качественной продукции и развития математического обеспечения систем настройки валков.

Практическая значимость и реализация результатов работы. 1. Внедрен новый режим прокатки укрупненной полосовой заготовки из бериллиевой бронзы толщиной 6 мм за восемь проходов вместо девяти на двухвалковом стане 700x1300 (технологическая инструкция ТИ СМК-23/27-6-2003); уменьшено с четырех до трех число прокатных переделов; освоен выпуск лент с более ши-

роким диапазоном механических свойств и точностью по толщине, соответствующими требованиям международных стандартов; выход годного увеличен на 8,8 % за счет стабилизации структуры и механических свойств, а также сокращения расслоений, краевых трещин и обрывов при прокатке (Московский завод по обработке цветных металлов).

Результаты исследований использованы при проектировании нового завода по производству плоского проката из пружинных сплавов.

2. Разработанные.математические модели структурообразования низкоуглеродистой стали СтЗсп используются в алгоритмах расчета сопротивления деформации прокатываемых полос в системе начальной настройки клетей чистовой группы стана 2000; применение данных моделей повысило точность настройки стана, улучшило структуру и увеличило стабильность механических свойств производимых горячекатаных полос в 1,2-1,8 раза (Ново-Липецкий металлургический комбинат).

Усовершенствованный алгоритм расчета настройки НШСГП необходим при разработке систем автоматического управления качеством горячекатаных стальных полос и технологическом проектировании станов нового поколения.

3. Разработаны температурно-деформационные и скоростные режимы горячей и неполной горячей прокатки полос из сплава «цинк-титан» на реверсивном четырехвалковом стане 400/1000x1000, при которых ресурс пластичности обрабатываемого материала используется более полно, чем по действующей технологии. Внедренный режим неполной горячей прокатки цинк-титанового сплава обеспечил улучшение и стабилизацию комплекса механических свойств готового проката с уменьшением диапазона их разброса в 1,4-1,6 раза (Московский завод по обработке цветных металлов).

4. Разработаны и внедрены рациональные режимы обжатий по ширине полос при горячей прокатке медных сплавов на реверсивном двухвалковом стане 850x1000, обеспечивающие уменьшение разноширинности на выходе из стана в среднем на 4 мм без потери продольной устойчивости полосы и перегрузки валков (Кольчугинский завод по обработке цветных металлов).

5. Разработанная методика расчета распределения пластической деформации по всему сечению прокатываемой полосы для уточнения числа проходов

и соответственно усилий используется при проведении занятий по дисциплине «Теория обработки металлов давлением» (Московский государственный открытый университет).

6. Использование и внедрение результатов работы в промышленности позволило получить экономический эффект около 15,2 млн. руб. и освоить производство новых видов прокатной продукции.

Обоснованность и достоверность основных положений и результатов диссертации определяется применением аналитических методов исследования, использованием фундаментальных основ теории прокатки, методов математической статистики, современных методов физического моделирования и пла-стометрических испытаний, применением компьютерных технологий и практической реализацией в условиях реального производства

Личный вклад соискателя. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, диссертантом предложены основные идеи и выполнены теоретические, технологические и технические разработки, а также сделан обобщающий анализ результатов.

Положения, выносимые на защиту. 1. Развитая методика и опытная установка для физического моделирования условий структурообразования стали при производстве полос на НШСГП.

2. Основные закономерности и математические модели формирования заданной структуры низкоуглеродистой стали при непрерывной горячей прокатке полос и последующем охлаждении, учитывающие влияние напряженно-деформированного состояния металла в очаге пластической деформации.

3. Основные закономерности формирования физико-механических свойств бериллиевой бронзы и цинк-титанового сплава при прокатке полос на реверсивных станах.

4. Развитая теория продольной устойчивости полосы при боковом обжатии вертикальными валками полосового стана.

5. Основные принципы оптимизации процесса горячей прокатки полос по структуре и пластичности сплавов с использованием построенных диаграмм рекристаллизации и диаграммы предельной пластичности.

6. Усовершенствованный алгоритм расчета начальной настройки чистовой группы клетей НШСГП на производство проката с заданной структурой и стабильными механическими свойствами, учитывающий энергосиловые и технологические ограничения, а также требования к геометрии полос.

Апробация результатов диссертации. Основные материалы работы лично доложены и обсуждены на; Всес. научно-техн. семинаре «Автоматизация листовых станов горячей прокатки», г. Кривой Рог, 1977 г.; Всес. научно-техн. конференции «Современные проблемы повышения качества металла», г. Донецк, 1978 г.; Всес. научно-техн. семинаре «Прогрессивные технологические процессы в производстве холоднокатаного листа», г. Липецк, 1981 г.; Всес. научно-техн. семинаре «Прогрессивные технологические процессы в производстве холоднокатаного листа», г. Липецк, 1985 г.; VII-ой Всес. научно-техн. конференции «Теплофизика технологических процессов», г. Тольятти, 1988 г.; Республиканской научно-техн. конференции «Наука - производству», г. Набережные Челны, 1990 г.; 7-ой Международной научно-техн. конференции «Моделирование и исследование сложных систем», г. Севастополь, 2000 г.; Всес. научно-техн. коференции «Ресурсоэнергосбережение - XXI век», г. С.Петербург, 2000 г.; Международной научно-техн. конференции «Теория и практика производства проката», г. Липецк, 2001 г.; 4-ом Конгрессе прокатчиков, г. Магнитогорск, 2001 г.; научно-техн. коференции МГВМИ и Союза кузнецов «Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением» г. Москва, 2003 г.; Международной научно-техн. конференции «Теория и практика производства листового проката», г. Липецк, 2005 г.; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, г. Москва, 2006 г.; Всероссийской научно-техн. конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением», г. Москва, 2007 г.; Международной научно-техн. конференции «Теория и практика производства листового проката», г. Липецк, 2008 г.; Международной научно-техн. конференции «Нанотехнологии и наноматериалы», г. Москва, 2009 г.; 6-ой Международной научно-практ. конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов», г. Москва, 2009 г.; 8-ом Конгрессе прокатчиков, г. Магнитогорск, 2010 г.; Второй

международной научно-техн. конференции «Павловские чтения», г. Москва, 2010 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в монографии, 9 тезисах докладов, 41 научной статье, в том числе 22 публикациях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и двух изобретениях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, 7 приложений. Она изложена на 369 страницах машинописного текста, содержит 95 рисунков, 44 таблицы, список использованных источников содержит 384 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса и усовершенствование методов разработки технологий прокатки полос

Анализ качества производимых полос Химическая неоднородность выплавляемой на HJIMK стали существенна от плавки к плавке и охватывает весь диапазон содержания элементов по ГОСТ, что может давать разницу в значениях а„ стали СтЗсп до 118 МПа. Средние значения содержаний элементов в стали СтЗсп: 0,166 % С; 0,473 % Мп; 0,0066 % jV и 0,047 % Al. Среднеквадратические отклонения от средних значений составили: Sc = 0,0018 %; SMn = 0,0051 %; SN = 0,00007 % и SAt = 0,0021 %.

Средние значения механических свойств полос толщиной 4-6 мм из стали СтЗсп, прокатываемых на стане 2000, и среднеквадратические отклонения от них составляют: д=в = 466-472 МПа, SSi = 2,4-2,5 МПа; аТ = 326-338 МПа, S-t =

2,2-2,3 МПа;5 = 30,2-31,9 %, s,= 0,26-0,27 % и Ш)'1" = 0,83-0,92 МДж/м2,

SKcîFs= 0.016-0,018 МДж/м2. Примерно в 20% случаев а„ выходит за верхний и

до 10 % случаев 8 - за нижний пределы допустимых по ГОСТ 14637-89 значений.

Результаты металлографического исследования образцов от полос толщиной 8 мм (СтЗсп) показали, что значения коэффициента вариации ул распре-

деления зерна лежат в пределах 59-67 %, в то время как для однородной структуры (ГОСТ 5639-82) это значение составляет (49 ± 2) %.

Таким образом, в условиях НШСГП одними из важнейших резервов стабилизации механических свойств металла являются снижение его разнозернистости и регламентация среднего размера зерна феррита.

Колебания химического состава выплавляемого на Московском заводе ОЦМ сплава «цинк-титан» от партии к партии значительны. Средние значения содержания легирующих элементов: 0,114 % Си; 0,079 % 77 и 0,0017 % А1. Среднеквадратические отклонения от средних значений составили соответственно: 0,0445 %; 5-= 0,0071 % и 0,0018 %.

Для полос толщиной 0,7 мм, прокатываемых на стане 400/1000x1000, значения статистических характеристик по механическим свойствам равны: а„= 179,8 МПа; = 7,5 МПа; а02 = 120,7 МПа, 6,4 МПа; £ = 60,5 % и Б,

= 8,7 %. Механические свойства проката из цинк-титанового сплава соответствуют требования стандарта, но их стабильность невысока - гистограммы имеют размытый характер.

После полунепрерывной разливки бериллиевых бронз концентрация бериллия в поверхностных слоях слитаа из-за ликвации достигает 3 % при средней по объему 1,9 %. Статистические характеристики механических свойств лент толщиной 0,15-0,25 мм из бериллиевой бронзы БрБ2 в состоянии «твердое + старение»: ав- 1253 МПа, = 77,1 МПа; 6 = 1,54 %, ^=0,56 % абс.;

ЯК = 396,8, 5—= 12,0; 7 = 3,95 и 5 = 0,42 (до старения). Механические свойства укладываются в пределы, определяемые ГОСТ 1789-70, но выходят за пределы норм стандарта АЭТМ В 194. Стабильность механических свойств не достаточно высокая - гистограммы имеют размытый характер.

Толщина производимых лент из бериллиевой бронзы нестабильна от партии к партии. Среднее значение толщины лент из сплава БрБ2, прокатанных на номинальную толщину к» = 0,25 мм, составляет Л = 0,243 мм и среднеквадра-тическое отклонение 0,073 мм. Толщина проката соответствует требованиям ГОСТ 1789-70, но до 30 % лент выходят за нижний предел требований стан-

дарта Ш 1654. Современные требования потребителей по толщине лент в 2-3 раза выше норм российских стандартов.

Выход годного при производстве лент из бериллиевой бронзы по действующей на МЗОЦМ технологии не превышает 60 %.

Среднее значение ширины полос из меди М1, прокатанных на стане 850*1000 Кольчугинского завода ОЦМ на ширину 665+1° мм, для их середины составляет Вс= 671,9 мм и среднеквадратическая ошибка 5г= 2,3 мм, а для конца Вк= 674,1 мм и 5г= 1,7 мм. Ширина концов около 25 % полос выходит за максимально допустимый российским стандартом предел.

Проведенный анализ показывает, что в ряде случаев имеется несоответствие качества плоского проката, производимого по действующим технологиям, нормам российских и международных стандартов. Разброс показателей качества полос и лент из стали, цветных металлов и сплавов - механических свойств и геометрии обусловлен колебаниями химического состава материала, несовершенством технологий и нестабильностью их параметров.

Усовершенствование методов разработки технологий прокатки полос

Процесс формирования показателей качества металла при прокатке полос и лент различных сплавов протекает последовательно по технологическим стадиям черновой и чистовой прокатки, а также последующей упрочняющей обработки (рис. 1).

При наличии входных воздействий формирование показателей качества осуществляется под воздействием управляющих воздействий. На разных стадиях обработки действуют различные ограничения.

Формируемые при черновой прокатке показатели качества раската - толщина Нт и ширина В„ подката, относительная поперечная разнотолщинность 6Н / Н, средний размер зерна I и вариация его распределения у„. При чистовой прокатке формируются толщина Ь и ширина Ь полосы, ее продольная ДА и относительная поперечная ¿И/И разнотолщинность, относительная величина амплитуды волны или короба проката А/Я, средний размер зерна 3 и вариация его распределения , коэффициент анизотропии зерна 3г/3„. В результате

Ограничения

[Р], [1/Ц [М/М.,1

Ав

[Р], [1/Ц [М/Мя],

га, га ла], Ар,

ыл 1С.11.3

^И.СТ.Зз Т Н.СТ.З

Геометрия раската:

Нпк, Влк? 5Н/Н

Структура металла:

ал

Геометрия полосы:

113Ь, д11,5М1,А/Л

Структура металла:

ал..,а./а_

Структура:

^ад„,а|/а_,%дФ>

ад.ф.

Свойства:

чав,от,8,НУ3кси„ г

Рис. 1. Схема формирования показателей качества металла при прокатке полос и лент

упрочняющей обработки формируются окончательные показатели качества структуры (средний размер зерна ¿7, вариация его распределения ^, коэффициент анизотропии зерна 2гобъемная доля дисперсной фазы %ДФ, средний размер ее частиц Згф ) и физико-механические свойства металла (временное сопротивление ав, предел текучести сгт, относительное удлинение 3, твердость НУ, ударная вязкость КС1!, глубина вытяжки по Эриксену / и др.).

Предложен усовершенствованный метод разработки технологий прокатки полос из различных сплавов (рис. 2).

Для получения готовых полос с заданной структурой и стабильными физико-механическими свойствами необходимы достоверные данные о сопротивлении металла деформации, предельной пластичности, основных закономерностях формирования структуры, равномерности деформации по толщине полосы и продольной устойчивости при обжатии раската вертикальными валками. Математические модели, построенные на основе этих данных, должны быть дополнены известными моделями формирования геометрии полосы. Для настройки полосового стана на производство качественной продукции требуется разработка критериев оптимизации процесса прокатки по структуре и пластичности деформируемого металла. Выбор одного из этих критериев оптимизации определяется конкретным сплавом, состоянием исходной заготовки (литая или горячекатаная) и условиями данного технологического процесса. После расчета режима прокатки по заданной структуре или ресурсу пластичности металла необходимы проверка равномерности деформации по толщине полосы, определение режимов обжатия полосы в вертикальных валках и ее натяжения. Вычисленные в итоге параметры напряженно-деформированного состояния в очаге деформации следует использовать для корректировки математической модели формирования структуры металла.

Для сплавов черных и цветных металлов характерны общие разновидности упрочнения в процессе термомеханического воздействия, а также одни и те же стадии последующего разупрочнения.

Однако, из-за различного характера изменения пластических свойств в температурном интервале обработки, основная часть исследуемых сплавов была условно разделена на две группы:

Рис. 2. Усовершенствование методов разработки технологий прокатки полос

1) с монотонно изменяющейся пластичностью. Представитель группы -низкоуглеродистая сталь СтЗсп (промышленный стан - НШСГП 2000 HJIMK);

2) с немонотонно изменяющейся пластичностью. Представители группы - бериллиевая бронза БрБ2 и сплав «цинк-титан» (технологический комплекс и стан Кварто 400/1000x1000 МЗОЦМ).

На меди и ее сплавах (М1, МЗ, МНЦ 15-20, Л68) проведены исследования продольной устойчивости полос при обжатии вертикальными валками полосового стана (промышленные станы Дуо 260x400 и Дуо 850x1000 ЗАО «Коль-чугцветмет»).

2. Методика исследований и обработки результатов экспериментов

Для моделирования дробной горячей деформации на НШСГП на базе лабораторного двухвалкового стана 250x400 была создана экспериментальная установка. Нижний прокатный валок стана выполнен трехступенчатым.

Для прокатки образцов из стали СтЗсп промышленной плавки (0,15 % С, 0,52 % Мп, 0,22 % Si, 0,037 % S, 0,019 % Р, 0,031 % Си, 0,033 % Ni, 0,052 % Al, 0,0065 % N и 0,008 % О) была принята средняя скорость деформации 100 с"1 (скорость прокатки VM = 5 м/с). Клиновидные образцы размером 5(10)х30х150 мм вырезали вдоль направления прокатки из раската, прокатанного в черновой группе НШСГП 2000 HJIMK на толщину 20 мм и охлажденного на воздухе. Деформация за первый проход менялась в пределах 0-50 % по длине клиновидного образца. Во втором проходе получали деформацию по длине 10-19 или 2636 %. Разработанный блок автоматики обеспечивал паузу между двумя проходами 1 или 3 с и выдержку после второго прохода 0,3, 3 или 9 с. Перед прокаткой все образцы имели одинаковый размер зерна (нагрев 1100°С, 15 мин) и прокатаны сразу либо с подстуживанием и выдержкой 10 мин при температуре 1000, 950, 900 и 800°С. Прокатанные образцы после выдержки на воздухе сбрасывались в 12 %-ный раствор NaCl для частичной ребровой закалки. Таким образом, на одном образце получали набор относительных обжатий от 0 до 50 % по длине и набор скоростей охлаждения от 10 до 1000°С/с по ширине.

В разных поперечных сечениях образцов бывшее зерно аустенита выявлено травлением и измерено на микроскопе МИМ-7 и структурном анализаторе "Ер1цшпГ методом секущих (по 200-250 хорд на сечение). Определяли среднюю величину хорды с1, вариацию ее распределения уй, среднеквадратические отклонения ^ и , доверительные интервалы ± д*7 для вероятности Р = 0,99. Для отдельных образцов оценивали коэффициент анизотропии зерна Е.

Для исследования продольной устойчивости при прокатке на полосовом двухвалковом стане 260x400 с вертикальными калиброванными роликами без натяжения и с натяжением раската разработан роликовый измеритель со сменной стрелочной индикаторной головкой типа ИЧ-10 с ценой деления 0,01 мм.

Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики, в том числе с применением пакета стандартных компьютерных программ «Статистика 6».

3. Исследование формирования структуры полос из низкоуглеродистой

стали

По результатам физического моделирования получены данные о формировании структуры аустенита стали СтЗсп при прокатке в один и два прохода (рис. 3).

а б в

Рис. 3. Бывшее зерно аустенита стали СтЗсп при прокатке в один (б) и два (в) прохода (х 120):

а) исходное состояние; б) Г = 1070°С, £ = 50%, х = 0,3 с; в) г = 930-920°С, г, = 40%, т,_2 = 1 с, е2 = 36%, х = 0,3 с

Время первичной рекристаллизации после прокатки с относительными обжатиями 20-50 % при температуре 1070°С не превышает 0,3 с, а при 975°С - 1 с. Размер рекристаллизованного зерна составляет 30-48 мкм при исходном 8082,5 мкм. При понижении температуры прокатки до 880°С время первичной рекристаллизации для относительных обжатий более 20 % составляет 1-3 с, а размер зерна - 25-35 мкм.

После прокатки с обжатием 10 % при г = 880-975°С и т > 1 с формируется разнозернистая структура.

Прокатка образцов при температуре 910-930°С в два прохода с обжатием в каждом из них по 10 % показала, что при паузах между обжатиями 1-3 с и выдержках после прокатки 0,3-9 с структура разнозернистая.

Основное влияние на размер рекристаллизованного зерна аустенита низкоуглеродистой стали СтЗсп при непрерывной горячей прокатке оказывает степень деформации и ее распределение по проходам, а также размер зерна перед деформацией.

Распределение деформации по толщине полос оценивали методом винтов при прокатке клиновидных образцах. При еср = 15 % на глубине 1 мм е = 10 %, а в поверхностном слое е = 21%. С увеличение среднего относительного обжатия до 30 % неравномерность деформации по толщине становится незначительной.

Металлографические исследования структуры, выполненные на двух клиновидных образцах, прокатанных при 880°С (первый после прокатки выдержан на воздухе 9 с и подвергнут частичной закалке, второй - охлажден на воздухе до комнатной температуры), дали практические данные для определения связи зерна аустенита и феррита при скоростях охлаждения в диапазоне фазовых превращений от 2 до 37°С/с.

4. Исследование формирования физико-механических свойств и структуры полос из сплавов цветных металлов

Методом испытаний сплошных цилиндрических образцов на торсионном пластометре при скоростях деформации ё = 0,1-10 с'1 в интервале температур г

= 450-800°С, применительно к условиям прокатки полосовых заготовок на двухвалковом стане 700x1300, исследовали реологические свойства бериллие-вой бронзы БрБ2. Сопротивление пластической деформации сплава значительно зависит от температуры г, истинной деформации е и скорости деформации е . Изменение температуры испытания с 450 до 800°С при неизменных значениях е п е приводит к существенному снижению сопротивления деформации (Дсгв = 246-330 МПа).

В качестве показателя пластичности сплава БрБ2 была принята степень деформации сдвига Лр в момент разрушения образца при кручении. В координатах «Лр - t - построена диаграмма предельной пластичности сплава. Максимум диаграммы для разных скоростей деформации ё (0,1, 1 и 10 с"1) соответствует /= 650°С. При этой температуре и с = 0,1 с"1 величина Лр достигает своего наибольшего значения 2,70. Определена область высокой пластичности сплава БрБ2: 550-750°С; 0,1 с"1 < ё < 10 с"'.

Пластометрическое моделирование первых четырех проходов при прокатке полосовой заготовки на двухвалковом стане 700><1300 показало, что происходит частичное суммирование деформационного наклепа по проходам. В итоге сопротивления в 4-ом проходе повышается на 12-15 %.

В условиях Московского завода ОЦМ исследовали влияние температуры I и времени искусственного старения т на временное сопротивление ст„ и относительное удлинение 5 сплава БрБ2 при различных исходных состояниях лент (А, 1ЛН, 1АН, Н). Старение при г = 300-340°С и т = 30-240 мин обеспечивает максимальную прочность для всех исходных состояний (ав = 1274-1431 МПа).

На основе анализа многолетних производственных данных МЗОЦМ были определены границы изменения механических свойств бериллиевой бронзы марки БрБ2 в зависимости от степени деформации е при холодной прокатке.

Исследовали зависимость механических свойств лент из бериллиевой бронзы БрБ2 от размера зерна (в мягком состоянии) и от содержания бериллия (мягкое состояние + старение). Уменьшении размера зерна с 33,3 до 10,0 мкм и увеличение среднего содержания бериллия в сплаве с 1,87 до 2,02 % дают одинаковый средний прирост ов около 46 МПа.

Исследовали процессы упрочнения-разупрочнения цинк-титанового сплава. Клиновидные образцы размерами 3(6)х20х110 мм из сплава «цинк-титан» промышленной партии (0,11 % Си, 0,084 % 77, 0,01 % А1, 0,002 % СбГ, 0,007 % РЬ, < 0,001 % 5«, 0,003 % Ре, остальное прокатывали на двухвалковом стане 300x450 со скоростью У= 0,36 м/с. Образцы вырезали из полученной с агрегата БПЛ-1000 заготовки (И = 7 мм) вдоль направления прокатки. Перед прокаткой все образцы нагревали в электропечи при температуре 275-277°С 45мин. Далее образцы прокатывали либо сразу, при температуре 270°С, либо, после подстуживания на воздухе, при 220, 170 и 70°С. После прокатки и выдержки 1 - 10 с на воздухе или 40 - 600 с в печи при температуре прокатки полученное состояние фиксировали охлаждением образцов в воде. В 5-7 точках по длине прокатанных образцов производили измерения твердости по Виккер-су (ЯКз), по 3-4 измерения на каждую точку. В поперечных сечениях образцов травлением выявляли зеренную структуру (рис. 4).

б в г

Рис. 4. Структура сплава «цинк-титан»:

а) после нагрева под прокатку г = 275°С, т = 45 мин (х 3); после прокатки (х 115):

б) г = 270°С, е = 20 %, т = 5 с; в) г = 270°С, е = 30 %, т = 40 с; г) готовая полоса (к = 0,7 мм)

Установлено, что изменение среднего значения твердости и вариации ее распределения отражает стадии разупрочнения цинк-титанового сплава.

На двухвалковом стане 300x450 выполнили физическое моделирование условий формирования механических свойств полос при прокатке на реверсивном четырехвалковом стане 400/1000x1000. Карты из сплава «цинк-титан» (/¡о = 7 мм, bo = 200 мм, /0 = 180, 120 и 90 мм) прокатывали за 1+8 проходов (V= 0,36 м/с) с температурами начала прокатки 150, 190 и 270°С, паузами между обжатиями 32-33 с и последующим охлаждением на воздухе.

При i„.„.= 150°С пластичность материала в начале прокатки наиболее низкая - относительное удлинение 5 после 2-го прохода составляет 17,7 %.

При числе проходов более шести (е2 > 81 %) обнаружен эффект атерми-ческого разупрочнения, когда после двух последних проходов ств уменьшается с 290,1-299,6 до 167,2-180,1 МПа.

5. Исследование условий достижения предельных напряжений и деформаций прокатываемых полос

Качество прокатываемых полос во многом зависит от распределения пластической деформации по их толщине, колебания уширения, продольной устойчивости и режима натяжения.

Распределение пластической деформации по толщине полосы

При рассмотрении задачи распределения деформации использовали метод линий скольжения.

Для тонко- и среднелистовой прокатки, заменяя граничные линии скольжения отрезками прямых, определяли угол скольжения.

На основе расчета углов захвата для условий горячей прокатки стали при коэффициенте контактного трения / = 0,35, коэффициенте Пуассона ц = 0,5, разных значениях относительного обжатия е и отношения половины толщины полосы к радиусу валка, получили графическую зависимость относительного обжатия епл, приводящего к распределению пластической деформации по всей толщине полосы, от h(/lR (рис. 5). Применительно к условиям горячей прокатки полос из различных сплавов для диапазонов изменения h/lR = 0,025-0,375,/ = 0,30-0,57 и (х = 0,3-0,5 получена аналитическая зависимость для расчета Ещ,:

Рис. 5. Зависимость относительного обжатия епл, приводящего к распределению пластической деформации по всей толщине при горячей прокатке стальных полос, от h</lR

„ Ь

¿V-

е 2R

£пл =а0 + е0,19/ ' ^

где а0, а, - коэффициенты, зависящие от ц (а0 =-0,9038 + 0,0272

а, =0,2490 + 0, 1848-,u3)-

Зависимость (1) позволяет определять относительное обжатие, необходимое для распределения пластической деформации по всей толщине полосы при горячей прокатке различных сплавов.

Определение условий минимизации уширения при производстве полос Использовали расчетные значения относительной величины нейтрального угла у/а в зависимости от отношения радиуса рабочего валка к толщине полосы на входе в очаг деформации R/h0, относительного обжатия е, а также коэффициентов заднего и переднего ^ натяжения по методу JI.C. Кохана.

Для условий прокатки полос на различных станах были построены графические зависимости у!" = f(R/hо>е)> которые затем аппроксимировали регрессионными зависимостями. Так, например, для холодной прокатки лент из сплава БрБ2 с задним натяжением (£д = 0,8) получены следующие уравнения:

^ = 0,00106 -—-1,4467 - г+ 1,9667 е1 +0,2254 ; (2, а)

а h0

£ = 0,00175 ■ ■— -1,3051 ■ г +1,9667 - е2 - 0,0023 ■ — ■ е + 0,1830 . (2,6)

а ha "о

Используя критерий минимизации уширения (ЛЬ = min), дифференцируем уравнение (2, а) по £ и приравниваем полученный результат нулю, откуда оптимальное значение еат = 0,3678.

Вычисляем 2-ю производную и определяем ее знак Л _ 3 9334 > о _

¿в

Таким образом, еот = 0,3678 = .

Дифференцируем уравнение (2, б) по е и приравниваем полученный результат нулю, получаем оптимальное отношение (И/Ь0)ШТ =61,6. Результаты расчетов подтверждаются опытными данными, получаемыми на стане 125/380x320 Московского завода ОЦМ.

Продольная устойчивость полос при прокатке в вертикальных валках Величина прогиба г полосы (рис. 6) под действием вертикальных валков при упругой деформации может быть определена из уравнения Эйлера:

(3)

, 2

N

где Е - модуль упругости материала полосы; I - момент инерции при деформировании полосы вертикальными валками; Ру - усилие прокатки в вертикальных валках.

Рис. 6. Схема прокатки полосы в вертикальных валках

На основе решения уравнения (3) получена формула для определения критического усилия устойчивости полосы с исходной шириной 2>0:

Р7=(^2-£-У)/602. (4)

При упруго-пластическом изгибе момент инерции / для полос определяется зависимостью I = (¿0 -/¡¿)/8.

Относительное среднее давление при прокатке определяли по формуле А.А. Королева с последующим уточнением по нашей методике:

где екр — относительное обжатие;<5 = 2/7а - параметр прокатки;/ - коэффициент контактного трения; а - угол захвата.

Среднее сопротивление металла в очаге деформации будет аср = п1Т ■ .

После определения усилия прокатки в вертикальных валках рассчитываем величину прогиба по формуле, полученной по методике Н.М. Беляева с нашими опытными данными:

Р ■Ь3

"Ч> о /¿ч

Г = /Г 4!ПГ7' (6)

где % - экспериментальный коэффициент (для стали х = 0Л0 - 0,11 и для латуни %= 0,09 -0,12).

По данной зависимости уточняется режим обжатия полос без натяжения.

При непрерывной прокатке с натяжением усилие прокатки изменяется. Положение нейтрального сечения очага деформации определяется отношением 2 = й0 , где й„ - толщина полосы в нейтральном сечении. Параметр X является сложной функцией нескольких переменных.

По результатам многочисленных расчетов для горячей прокатки с натяжением (^о= = 0,8) получена упрощенная зависимость для определения Z:

2 = -0,043 + 0,009 • X / й0 + 0,983 • (Я / Л0 У +1,685 ■ е. (7)

Для горячей прокатки последовательно определяются относительные обжатия для зоны отставания еот и общее е, а также параметры упрочнения *о=1 + £™.> *,=(1 + *„)/2 и А2=(*0+е + 1)/2.

Получено также уравнение для определения относительного среднего общего сопротивления пластической деформации

12 + 0, 12-Е-Л/Й0. (8)

Продольное напряжение а, определяли из условия пластичности. Тогда на выходе из /-ой клети непрерывного стана:

=1,12 + 0Д2-е, (Л//1,.)-1. (9)

Действующее на полосу в межклетевом промежутке за 1-ой клетью продольное усилие от горизонтальных валков Р!=а1/а$0-кгаз0-ЬгЬ] учитывали

при определении суммарного прогиба гсуи= г- ггор, где ггор - величина компенсации прогиба под действием усилия от горизонтальных валков. На рис. 7 представлен пример результатов подобных расчетов.

Рис. 7. Зависимость суммарного прогиба полосы (сталь СтЗ, 30x1850 мм, еу = 0,04, г = 1060°С) от натяжения в межклетевом промежутке

0 0,05 ОД 0,15 1 о0Д

Относительное нжтяжснне

" Таким образом, исправлять прогиб

следует в процессе прокатки с применением межклетевого натяжения, которое позволяет минимизировать усилие прокатки.

Использование ресурса пластичности деформируемого металла Для процессов с дробной деформацией в качестве критерия оптимальности может быть принята общая степень использования запаса пластичности материала:

Г-1

V р л

=и>

(10)

где Л - степень деформации сдвига, Л = 2^сгг + с] +е:-е); ег, еу - относительные деформации обжатия и уширения; Ар- предельная величина степени деформации сдвига; / - номер прохода; п - количество проходов; [ц/] = 0,90 - допустимый запас использования пластичности; а - коэффициент суммирования

запасов по проходам.

Коэффициент жесткости напряженного состояния: £Г„ Ст, + ст„ + а.

к.-у

(П)

о

Рис. 8. Схема диаграммы пластичности

с, + о-, + с, _ с. _ сг _ а. где сг0 = —----среднее напряжение; <тг = ——, ау - ——, о-, = —5— отно-

3 о> о °"го °го

сительные напряжения; 7" = ±^л/((т1 -<х2)2 +(<т2-ст3)2+(с73-<т,)2 - интенсивность

касательных напряжений.

Из условия пластичности, а также статической связи между поперечным оу и продольным ах напряжениями:

<ух-Ъ0-И0=оу-}1й-1. (12)

Подставляя в равенство (12) выражение длины дуги захвата 1=4ШГк, получа-

ем:

ах={ШИ-ау]1Ьп. (13)

После всех преобразований для процесса прокатки:

/л/3. (14)

_ (ДЛ-Д ,

6. Разработка математических моделей и алгоритма настройки НШСГП на производство качественных стальных полос

Модель структурообразования полосы в условиях НШСГП .

Для низкоуглеродистой стали СтЗсп построена уточненная трехмерная диаграмма рекристаллизации аустенита в координатах «1/Т - - /#т», позволяющая определять состояние зерна аустенита после каждого обжатия, перед началом последующего. Диаграмма содержит следующие области: А - инкубационного периода первичной рекристаллизации; В - первичной рекристаллизации; С - инкубационного периода собирательной рекристаллизации; В - собирательной рекристаллизации.

Границы областей диаграммы разделены гиперплоскостями, которые для пределов изменения ( = 880-1070°С, т = 0,3-60 с и е = 0,1-0,5 описываются уравнениями:

^•104 = 0,6733-^г + 0,3914-^+8,9202 - для границы А - В; (15)

- ■ 104 = 0,7728+ 0,7922+ 8,6647 - для границы В-С', (16)

— ■Ю*= 0,6433 -1ёт + 0,6710 ■ +8,3123 - для границы С - Д (17)

где Т - температура, К; т - время, с; е - относительное обжатие.

При серии обжатий с первичной рекристаллизацией между ними размер рекристаллизованного зерна аустенита с1р может быть рассчитан по ходу прокатки, если известны размер исходного зерна 30 и коэффициенты измельчения зерна после каждой рекристаллизации. По результатам экспериментов для е > Екр получена зависимость коэффициента измельчения от относительного обжатия:

к^Л-е™. (18)

Результаты прокатки образцов за два прохода показали, что зависимость (18) может бьггь использована для прогноза размера зерна при серии циклов «деформация - рекристаллизация». Конечное зерно определяется произведением коэффициентов к(е).

Получены уравнения взаимосвязи зерна аустенита йу с зерном феррита ¿а, для скоростей охлаждения в области фазовых превращений й^^и = 2-37°С/с при 19,5-34,5 мкм:

За = 10,35 + 0,1528-^ -0,0958-В^,, мкм при 2°С/с < 19°С/с; (19)

вГ„ =13,50 - 0,0929-^ -0,8589-10"э -ЖД,, мкм при 19°С/с < №г_а<37°С/с. (20)

Определена также зависимость объемной доли перлита П от скорости охлаждения:

Л = (12,47±0,727)+(0,20±0,068)-^, %. (21)

Данные уравнения позволяют определять значения технологических параметров процесса непрерывной горячей прокатки и последующего охлаждения для получения полос из низкоуглеродистой стали с заданной структурой и стабильными механическими свойствами.

Корректировка модели структурообразования прокатываемых полос по напряженно-деформированному состоянию металла

Вначале исследуем НДС металла на примере горячей прокатки полосы из стали СтЗсп в одной из клетей чистовой группы НШСГП 2000 (й0 = 8 мм, Ь„ =

1050 мм, Я = 400 мм) при обжатии е = 30 %. Рассмотрим вариант при отсутствии упрочнения металла (к= 1) и без натяжения = ^ = 1).

Последовательно вычисляем длину дуги деформации

1д = = 30,98лш, угол захвата а = = 0,0774/>ад = 4,439° и параметр про-

катки 6 = 2/ 1а - 9,04.

Тогда по нашей методике получаем значение коэффициента нейтрального сечения: г = — =

К

толщина полосы А„ =А0/2 = 6,628аш и относительное напряжение

а„ =(1-1/<У)-+1М = 4,983. Нейтральный угол у = = 2,898° и

протяженность зоны опережения = Л •Бтр' = 20,22лш. Соответственно протяженность зоны отставания хш = 1д - хн = 10,16мм, отношение у ¡а = 0,653. Напряжения в серединах зон определяются координатами:

=^- = 10,11 Лш; = А, )=5,86лш;

Тогда, используя методику А.И. Целикова, определяем относительные напряжения в серединах зон опережения и отставания:

Среднее относительное нормальное напряжение:

^ +а'5опс" =2'°45' (23>

При учете упрочнения металла * = = величина 2=1,209,

у/а =0,649 и 2,723.

Далее исследуем влияние вариации заднего и переднего натяжений на си-

(1 -*У

= 1,207. В нейтральном сечении

ловые и деформационные параметры прокатки указанной полосы. Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Влияние режимов натяжения на параметры горячей прокатки полосы

№ Режим Параметры

п/п натяжения г у/а

1 40=4!= 1 1,21 0,649 2,723

2 1,21 0,649 2,184

3 4о=0,8;§,= 1 1,222 0,628 2,445

4 §о=1; 41 = 0,8 1,192 0,680 2,383

5 4О=41 = 0,7 1,216 0,656 1,889

Наибольшее напряжение возникает при отсутствии переднего натяжения и вариации заднего. Наименьшее напряжение возникает при симметричном натяжении, когда ^о = §1- Различие между двумя режимами прокатки при отсутствии одного из натяжений и другом переменном (при £ = 0,7) составляет 3,9 %.

По результатам расчетов получена зависимость для оценки среднего относительного нормального напряжения в зависимости от коэффициента натяжения при отсутствии одного из натяжений и варьируемом другом:

аср = 1,146 +1,577 ■ . (24)

Для симметричного натяжения уравнение для определения аср имеет вид: 2,777-£,-0,054. (25)

Уравнения (24) и (25) позволяют оценить среднее относительное нормальное напряжение в очаге деформации при заданном натяжении и обжатии 8 = 0,3.

Из условия пропорциональности девиаторов напряжений и деформаций при прокатке полосы в гладких валках, когда ау=0, получаем:

а__Ъ—.- (26)

е,-е, £,-еу еу-е: Используя условие пластичности, из выражения (26) в относительных напряжениях получаем:

Далее следуют вычисления относительных деформаций удлинения ех и уширения с^ при заданном относительном обжатии е2 .

Из расчетов получили графическую зависимость сДст^,) для относительных обжатий е1 - 0,1 - 0,4 (рис. 9).

Натяжение прокатываемых полос обеспечивает снижение среднего относительного напряжения сгср на 26,5-28,4 %. Минимизация нагрузки на валки

обеспечивается при отношении коэффициентов переднего и заднего натяжения /£0 = 1,27.

Рис. 9. Зависимость относительной деформации ех от 5ср при горячей прокатке полосы (А0 =10мм, Ь„ = 1050мм)

Расчетная величина а в очаге деформации для модели меньше чем для натуры в 1,1-1,6 раза из-за меньшего отношения Ь„ Пд (в 15-19 раз).

Для модели и натуры, с учетом расчетных значений аср при данном е,, рассчитывали ехи еу, а затем размеры пластически деформированного (эллипсоидного) зерна в направлении длины, ширины и толщины полосы (рис. 10):

а б в

Рис. 10. Схема изменения зерна аустенита при горячей прокатке полосы: а) исходное состояние; б) пластически деформированное состояние; в) рекристаллизованное состояние

= =<('+*,); л,=</0(1-О- (28)

При диаметре равного ему по объему сферического зерна = ^1а -ЬА -Лд коэффициент поправки по НДС при переходе от модели к натуре *„ Тогда коэффициент измельчения рекристаллизованного зерна в натурных условиях с учетом поправки:

К=К-К- (29)

НШСГП как объект управления структурой прокатываемых полос.

Критерий оптимальности настройки Оптимальная настройка НШСГП должна обеспечивать достижение наилучшего качества структуры готовых полос и максимальной производительности при наложенных ограничениях по энергосиловым параметрам, геометрии продукции, температуры конца прокатки <„ „ и смотки .

Основная цель управления — достижение минимальной разнозернистости аустенита к началу ускоренного охлаждения на отводящем рольганге, а требуемый размер зерна феррита достигается подбором режима охлаждения полосы. Разработан критерий оптимальности настройки чистовой группы

НШСГП:

кт

Пр-с/

п

2 с,

1=1

= тах,

(30)

Рис. 11. Схема к определению риска выхода из области управления

где / - номер клети чистовой группы; ./' - номер категории качества полосы; Пр - производительность стана; Су = Су / С, - относительная стоимость полос_/-ой категории качества; С, - стоимость полос низшей (базовой) категории качества; С1 - стоимость полос у-ой категории качества; в, - риск выхода из области управления за /-ой клетью; б, +<?/х2 — риск выхода из области управления С; Ол_, = 8!х - риск выхода из области управления А.

Стоимость полос С1 определяется из условия 81<,8< , где в - заданная ширина пограничной запретной зоны в области управления, по оси 6У, <5/+1 - ширина запретных зон, гарантирующих прокатку полос повышенных категорий качества стоимостью С) и С^,.

Усовершенствован алгоритм расчета начальной настройки НШСГП для управления структурой стальных полос с поддержанием их качества по геометрии, учитывающий энергосиловые и технологические ограничения.

7. Разработка математических моделей формирования физико-механических свойств и структуры полос и лент из сплавов цветных металлов

Кривые сопротивления деформации сплава БрБ2, полученные на торсионном пластометре при скоростях деформации с = 0,1-10 с"1 в интервале температур Г = 450-800°С, применительно к условиям прокатки полосовых заготовок на двухвалковом стане 700* 1300, описали уравнением:

е ■¿"3

= °о+ а\ . (31)

где ё = 1п(й„//1|) - истинная деформация; е - скорость деформации, с'1; Г -температура, °С; д0, а,....... - коэффициенты.

При г = 450-600°С: а0= - 115,4; а,= 133780,9; а2= 0,02; а3= 0,0499; д4= 0,9. При / = 650-800°С: а0= -167,6; д,= 127159,2; я3= 0,002; а3= 0,03; а4= 0,9.

Уравнение диаграммы предельной пластичности бериллиевой бронзы БрБ2 получено в виде:

Ар = а0 + а, ^ + -^с + ^-С^ё)2, (32)

где г - температура, "С; в - скорость деформации, с"1; а„, а,, ..., а3 -коэффициенты; а0 =2,8170; а, =-338,223; а2 =- 0,2650; а3 =- 0,0710.

Были получены регрессионные зависимости для расчета предела текучести ао,2 и временного сопротивления ств сплава БрБ2 в диапазонах изменения е = 0-37 % и содержания бериллия 1,8-2,0 % при холодной прокатке:

а02 = -(1120,4±58,7) + (19,16±0,95)• е-(0,20± 0,024)-ег + (743,1 + 30,7) ■ Ве, МПа; (33)

ав = -(816,6 ± 20,7) + (9,30 ± 0,33) • £ - (0,05 ± 0,008) ■ е2 + (680,7 ± 10,8) • Ве, МПа, (34) где е - степень деформации, %; Ве - содержание бериллия, %.

Для определения временного сопротивления ов и относительного удлинения б после искусственного старения для пределов изменения / = 240-480°С, т = 3-240 мин и б = 0-37 % получены уравнения:

ст в = -(3045,3 +185,0) + (22,07 ± 1,05) • I + (7,25 + 0,51)-г- (0,02 ± 0,001) • / • т +

+ (5,07 + 0,48) • г - (0,03 + 0,0015) • /2 - (0,01 + 0,0012) • г2, МПа; (35)

д = (137,1 ± 7,3) - (0,625 ± 0,041) ■ А - (0,2438 + 0,0201) ■ х + (0,0005 ± 0,00005) ■ Г • т -

-(0,2962 ±0,0189)• с + (0,0008 ±0,00006)■ ?2 +(0,0002± 0,00005) г2, %, (36) где / — температура старения, °С; т - время, мин; б - относительная деформация перед старением, %.

Построена трехмерная диаграмма рекристаллизации сплава «цинк-титан». Диаграмма определяет следующие области состояния структуры сплава: А - возврата и полигонизации; В — первичной рекристаллизации; С -рекристаллизованного состояния.

Уравнения гиперплоскостей, разделяющих области различных состояний структуры, для пределов изменения / = 70-270°С, е = 0-0,51 и т = 1-600 с имеют следующий вид:

~104 = 2,2445г+ 6,6249-1$ г + 20,8509 - для границы А-В; (37)

~104 =2,2124-^г + 5,8815-^6 + 19,0120 - для границы В-С, (38)

где Т— температура, К\ т—время, с; е - относительное обжатие.

Применительно к условиям неполной горячей прокатки получены регрессионные уравнения для определения временного сопротивления ов, относительного удлинения 8 и твердости НУ5 сплава «цинк-титан» для интервалов изменения Гн.„. = 150-270°С, ех = 29,6-91,4 % при еср~ 10с'1, т„ = 33-35 с, /кл, = 37-42°С:

ав = 724,07 - 23,56 • г.ъ + 0,0076 • - 0,0001 -е" +38,71- соз(гг ); (39)

8 = -33,20 + 2,87 • еЕ + 0,0164 • („„ - 0,0459 • е\ + 0,0003 • е\; (40)

НУ, = 60,80 + 0,6020-0,2141-/яп -0,0061-с| +0,0005-<Й2П , (41)

где г.£ - суммарное обжатие, %; („„,- температура начала прокатки, °С.

Полученные зависимости используются на Московском заводе ОЦМ для расчета режимов производства лент с заданными физико-механическими свойствами.

8. Разработка и освоение новых технологий и режимов производства полос и лент заданного качества

Проверку разработанной методологии проектирования технологий производили применительно к производству качественного полосового проката из черных и цветных металлов.

Так, для стали СтЗсп, с использованием алгоритма управления структурой, были рассчитаны предлагаемые режимы горячей прокатки полос толщиной б, 8, 10 мм в чистовой группе НШСГП 2000 НЛМК, защищенные патентом. При использовании принудительного охлаждения за 11-ой клетью производительность чистовой группы стана увеличивается на 13-17 % (рис. 12).

к й

£ иоо

Я,- 35 мм, 1,=1060Т, 870'С 1 / ^ у

л У у V < / /X 1 - ^ ■'бмм •'Иг / у

-к-Юмм/О'

Режимы: — — без межклетевого охлаждения; с межклетевым охлаждением за 11-ой клетью. И, Е-П - ограничение ло току 10-ой клети.

1300 1500

Ширина полосы В, мм

Рис. 12. Зависимость производительности чистовой группы НШСГП 2000 по предлагаемым режимам от ширины полосы

В табл. 2 для сравнения приведены действующий и опытные режимы (расчет и факт) обжатий при прокатке полос 8x1600 мм (СтЗсп).

Предлагаемый режим обжатий обеспечивает для готовой полосы (табл. 3) более высокие средние значения предела текучести аг и временного сопротивления а„, а также сужает диапазон их разброса (До>- с 37 до 23-29 МПа, До-, -с 45 до 24-39 МПа).

Однако из-за необходимости поддержания устойчивости полосы ввиду неблагоприятной станочной профилировки и отключения систем противоизги-

Таблица 2

Варианты распределения относительных обжатий («•,%) по клетям чистовой группы НШСГП 2000 при прокатке полос 8x1600 мм (СтЗсп)

Варианты Номер клети

. 6 7 8 9 10 11 12

Действующий режим обжатий

Факт 29,8 24,6 15,2 16,8 14,1 11,3 17,2

Опытные режимы обжатий

Расчет 15,6 20,5 25,5 27,0 25,2 5,3 11Д

Факт I 14,5 24,4 26,8 25,7 24,8 ИД 17,8

II 20,1 23,9 18,7 24,9 16,8 8,8 19,1

Таблица 3

Параметры структуры и механические свойства полос 8x1600 мм (СтЗсп) для _разных вариантов распределения обжатий по клетям (см. табл. 2)_

Вари- Параметры структуры Механические свойства*

анты da, Е Г i, агт, ¿5, KCV*2\

мкм мкм % % МПа МПа % МДж/м2

Действующий режим обжатий

- 8,62 0,20 0,89 64,4 4,6 270,8-308,0 287,5 425,8-470,9 444,9 30,7-36,5 33,5 0,61-1.53 1,05

Опытные режимы обжатий

I 7,39 0,18 0,97 65,4 4,0 278,3-301,2 290,0 437,3-476,0 458,2 253-35.9 31,3 0,66-1,53 1,06

II 7,87 0,19 0,94 67,2 4,2 282,5-312,0 298,5 457,1-480,7 469,2 30,4-353 32,9 0,61-1,48 1,28

Примечание: * - в числителе разброс, в знаменателе - среднее значение (3-5

образцов)

ба рабочих валков в шести первых клетях действительные обжатия в 8-11-ой клетях отклонялись от заданных оптимальных (до 50 % отн.). Расчет показал, что для фактически реализованных режимов I и II (см. табл. 2) первичная рекристаллизация после клетей 8 и 10 не закончена и не удалось существенно снизить разнозернистость готовых полос и повысить ударную вязкость.

Более успешной реализации предлагаемых режимов обжатий способствует использование систем гидравлического противоизгиба рабочих валков во всех клетях чистовой группы НШСГП. Согласно расчетам необходимые усилия противоизгиба не превышают 80 т (784,8 кН), что может быть обеспечено имеющимся оборудованием.

Расчеты с использованием уравнения (16) показали, что получение более однородной структуры полосовой низкоуглеродистой стали возможно путем корректировки междеформационных пауз и межклетевых расстояний. Данный подход был реализован при создании обводного устройства нереверсивной двухвалковой клети, защищенного авторским свидетельством на изобретение. В процессе опытно-промышленного опробования данного устройства достигнуто улучшение структуры и механических свойств полосовой стали СтЗсп.

Для улучшения качества лент из бериллиееой бронзы была разработана схема нового технологического процесса (рис. 13).

Предлагаемый технологический процесс отличается от действующего прежде всего увеличенным размером слитка. Для выплавки бериллиевых бронз используется шихта более стабильного состава, в связи с чем отпала необходимость учета влияния ее состава на механические свойства готовых лент.

На основе результатов исследования предельной пластичности сплава БрБ2 определен диапазон рационального температурно-скоростного режима дробной деформации, охватывающий область высокой пластичности: t = 550-750°С; 0,1 с'<¿<10,0 с"1.

Предложен следующий способ оптимизации процесса прокатки по пластичности.

На 1-м этапе, приняв за основу опорный (действующий) режим прокатки, перемещаем при с = const температурный интервал прокатки At до достижения условия F„ — max (рис. 14). При этом определяем точку 1, описывающую тем-пературно-скоростной режим в первом проходе.

На П-м этапе на проекции поверхности диаграммы прокладываем от точки 1 базовый (действующий) маршрут прокатки (рис. 15) и определяем вдоль этого маршрута (при t = var и Ige = var) площадь развертки сечения 1 -т под кривой Ap=Ap(f, Ige). Здесь т- количество проходов.

1 2 3

Рис. 13. Схемы технологических процессов и состав оборудования для производства лент из бериллиевых бронз:

а) действующая

1 - индукционная плавильная печь; 2 - кристаллизатор; 3 - фрезагрегат; 4 -нагревательная печь; 5 - двухвалковый стан 700x1300; 6 - двухвалковый стан 450x900; 7 - шахтная печь; 8 - закалочная ванна; 9 - шестивалковый стан 160/350x450; 10 - установка аргоно-дуговой сварки; 11 - лентозака-лочная печь; 12 - травильная ванна; 13 - линия щеточной зачистки поверхности; 14 - четырехвалковый стан 125/380x320; 15 - склад готовых рулонов;

б) предлагаемая

1 - индукционная плавильная печь; 2 - кристаллизатор; 3 - фрезагрегат; 4 -нагревательная печь; 5 - двухвалковый стан 700x1300; 6 - шахтная печь; 7 - закалочная ванна; 8 - четырехвалковый стан 250/750x800; 9 - лентозака-лочная печь; 10 - травильная ванна; 11 - линия щеточной зачистки поверхности; 12 - четырехвалковый стан 125/380x320; 13 - склад готовых рулонов

Температура t

На Ш-м этапе методом итераций находим новое положение сечения 1 -т, используя критерий оптимальности:

Рис. 14. Схема оптимизации режима прокатки на 1-м этапе

Копт.-Р-Лр = ™ ах, где Пр - производительность стана.

Было произведено перераспределение обжатий по проходам на двухвалковом стане 700x1300:

Рис. 15. Схема оптимизации на Н-м и Ш-м этапах (на примере бронзы БрБ2)

степени деформации в проходах 2-7 увеличены с 17,5-31,6 до 19,2-35,1%, а число проходов уменьшено с девяти до восьми. Предложено горячую прокатку производить при температуре 550-750°С до толщины 6 мм со смоткой раската в рулон. Исключается прокатка на двухвалковом стане 450x900, рулонные заготовки после нагрева и закалки прокатывают на четырехвалковом стане 250/750x800 с 6 до 1,5 мм за пять проходов. Отпадает необходимость в аргонодуговой сварке нескольких лент в один рулон перед прокаткой на четырехвалковом стане 125/380x320. При прокатке лент толщиной 0,8 мм с натяжением на стане 125/380x320 минимизация уширения раската достигнута в 3-ем проходе, где отношение Я / й0 = 62,5, что близко к его оптимальному значению (61,6).

Применение старения при температуре 320аС обеспечивает максимальную прочность для всех исходных состояний (о„ = 1301-1421 МПа). Использование разных исходных состояний и разных режимов старения позволило получать широкую гамму механических свойств готового проката в соответствии с международными стандартами.

При переходе на новую технологию улучшено качество проката по механическим свойствам, обеспечена точность по толщине на уровне требований международных стандартов. Выход годного увеличился на 8,8 %.

Анализ действующего на четырехвалковом стане 400/1000x1000 МЗОЦМ температурно-деформационного и скоростного режима прокатки полос из сплава «цинк-титан» показал, что ресурс пластичности обрабатываемого материала используется далеко неполно (на 65-70 %).

С учетом реологических свойств цинк-титанового сплава был разработан

Температура t,''C

оптимальный режим неполной горячей прокатки полос толщиной 0,7 мм (табл. 5), при котором ресурс пластичности используется более полно по сравнению с

Таблица 5

Режимы прокатки полос 0,7^750 мм из сплава «цинк-титан» на реверсивном

чс1ырехвш1Ковом_стаяе 400/1000x1000

& « Параметры

К о Ъ Й К' К, е, V, Р',

к & мм мм % м/с с1 "С МПа мн

Действующий режим

1 7,0 6,2 11,4 0,7 6,3 190 135,1 0,074 0,084 2,01/1,91

2 6,2 4,8 22,6 0,8 10,8 158 214,2 0,029 0,038 3,34/3,17

3 4,8 3,6 25,0 1,2 19,4 127 268,2 0,052 0,044 3,55/3,37

4 3,6 2,5 30,6 1,2 24,7 107 278,7 0,044 0,049 3,60/3,42

5 2,5 1,7 32,0 1,2 30,4 88 298,5 0,080 0,055 3,45/3,28

6 1,7 1,3 23,5 1,2 31,6 73 346,1 0,059 0,084 3,12/2,96

7 1,3 0,95 26,9 1,2 38,6 55 371,1 0,107 0,067 3,37/3,20

8 0,95 0,7 26,3 1,2 44,7 60 386,4 0,067 0,102 3,62/3,44

Предлагаемый режим

1 7,0 6,4 8,6 0,7 5,5 140 117,2 0,080 0,085 2,30/2,19

2 6,4 5,4 15,6 0,8 8,8 125 198,2 0,080 0,085 2,14/2,03

3 5,4 4,1 24,1 0,9 13,4 116 246,5 0,080 0,085 2,77/2,63

4 4,1 2,8 31,7 1,1 21,6 98 266,0 0,080 0,085 3,49/2,37

5 2,8 1,85 33,9 1,2 29,5 85 284,4 0,080 0,085 3,56/3,38

6 1,85 1,3 19,7 1,2 34,0 70 333,7 0,080 0,085 3,61/3,43

7 1,3 0,95 26,9 1,2 38,6 54 371,8 0,080 0,085 3,37/3,20

8 0,95 0,7 26,3 1,2 44,7 60 386,4 0,085 0,090 3,62/3,44

Примечание: * - в числителе расчет по упрощенной методике А.И. Целикова,

в знаменателе - факт

действующим режимом. При этом механические свойства соответствуют требованиям Европейского стандарта Ш 988, их разброс уменьшился в 1,4-1,6 раза. Новый процесс позволил уменьшить нагрузку на валки на 8-10 %.

Экспериментально установлено интенсивное разупрочнение сплава «цинк-титан», деформированного при температуре 270°С с обжатием е > 22 %. Для данного сплава е = 22 % является критическим по размеру зерна. За время прокатки полосы в первых проходах промышленного реверсивного стана (при относительных обжатиях ^ > 22 % и температуре / = 300-350°С) успевает пройти не только первичная, но и в значительной степени собирательная рекристаллизация.

На основе построенной диаграммы рекристаллизации сплава «цинк-титан» разработан также режим горячей прокатки, обеспечивающий получение полос с достаточно изотропной структурой и высокой пластичностью, а также снижающий нагрузки на оборудование. Это позволяет использовать потребителю готовый прокат для получения деталей методом глубокой вытяжки без дополнительного отжига.

С использованием разработанного роликового измерителя выпучивания полосы на промышленном двухвалковом стане 260x400 с вертикальными роликами исследовано влияние обжатия боковых кромок и натяжения при различных значениях отношения на потерю продольной устойчивости прокатываемых полос из меди и медных сплавов. Установлены необходимые величины натяжения для стабилизации процесса и расширение границ обжатия кромок полосы.

Результаты исследования продольной устойчивости обжимаемых вертикальными роликами на стане 260x400 полос (при прокатке без натяжения) были дополнены известными из литературы подобными опытными данными по горячей прокатке полос из слябов медных сплавов и углеродистой стали. Для пределов изменения А/6= 0,006-0,072 и Е = (7,42-12,71 ) 104 МПа обобщенная зависимость предельного относительного обжатия еь от отношения .размеров И/Ь и модуля упругости Е была описана уравнением регрессии:

вь = (5,5±0,34)-КГ4-И/Ь-Е, % . (43)

Использование данного уравнения для расчета настройки вертикальных валков обеспечило: снижение разноширинности полос при горячей реверсивной прокатке медных сплавов на двухвалковом стане 850x1000 Кольчугин-ского завода ОЦМ в среднем на 4 мм без потери продольной устойчивости; уменьшение потерь металла на обрезь на 0,5 % и соответствие качества продукции стандартам.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Развита теория процессов прокатки полос и лент из стали и сплавов цветных металлов, получены основные закономерности формирования струк-

туры и свойств обрабатываемого металла, предложены основные принципы оптимизации режимов пластического деформирования полос, разработаны и внедрены в производство новые и усовершенствованные технологии производства проката с заданными структурой и свойствами.

2. Усовершенствованы методика и экспериментальная установка для физического моделирования условий структурообразования низкоуглеродистой стали при дробной горячей деформации с малыми паузами и последующем охлаждении, воспроизводящая реальные температурно-деформационные, геометрические, кинематические и временные параметры процесса прокатки полос на НШСГП.

3. С использованием результатов физического моделирования установлены основные закономерности и созданы математические модели формирования структуры в процессе горячей прокатки полос из низкоуглеродистой стали и сплавов цветных металлов; предложены диаграммы рекристаллизации аустени-та стали СтЗсп и сплава «цинк-титан» в спрямляющих координатах, в которых упрощается их математическое описание, что позволяет использовать эти диаграммы в быстродействующих алгоритмах управления структурой и механическими свойствами прокатываемых полос.

4. В результате развития теории влияния натяжения на продольную устойчивость раската при его боковом обжатии вертикальными валками полосового стана установлена линейная зависимость величины прогиба полосы от напряжения натяжения при его изменении в пределах (0-0,2)-а8. Определено оптимальное соотношение коэффициентов переднего и заднего натяжения для минимизации силовых параметров процесса прокатки /£0 = 1,27.

5. Предложен метод минимизации уширения прокатываемых полос за счет уменьшения протяженности зоны отставания (поиска максимума относительной величины нейтрального угла у/а) путем регулирования обжатия и натяжения, позволяющий повысить выход годного и стабилизировать нагрузку на рабочие валки.

6. Создана методология оптимизации режимов горячей прокатки полос с использованием диаграмм рекристаллизации и предельной пластичности, сущность которой состоит: в минимизации разнозернистости металла за счет пере-

распределения обжатий по проходам; в выборе интервалов температур и скоростей деформации с высокой пластичностью материала с учетом нижнего ограничения относительного обжатия по условию распределения деформации по всей толщине полосы. Режимы прокатки полос из стали СтЗсп, рассчитанные с использованием усовершенствованного алгоритма расчета начальной настройки чистовой группы клетей НШСГП, промышленно апробированы на стане 2000.

7. На основе результатов испытаний образцов на кручение определены реологические свойства бериллиевой бронзы БрБ2: получено уравнение для расчета сопротивления деформации сплава применительно к условиям прокатки полосовых заготовок на двухвалковом стане 700x1300; определена зависимость предельной пластичности сплава от температуры и скорости деформации, позволившая установить область температур и скоростей деформации с повышенной пластичностью сплава. Разработан новый ресурсосберегающий вариант технологии и рациональные режимы производства лент из бериллиевой бронзы: для горячей прокатки полосовой заготовки предложено использовать укрупненную заготовку с уменьшением числа проходов с девяти до восьми; сокращено с четырех до трех число прокатных переделов; разработаны режимы искусственного старения, позволившие освоить производство новых видов прокатной продукции.

8. По итогам промышленных экспериментов получены регрессионные зависимости физико-механических свойств сплава БрБ2 от размера зерна, содержания бериллия и степени деформации при холодной прокатке, а также температуры и времени искусственного старения лент из различных исходных состояний. Данные уравнения позволяют прогнозировать механические свойства готовой прокатной продукции в различных состояниях поставки.

9. Для сплава «цинк-титан» с использованием построенной диаграммы рекристаллизации и результатов физического моделирования процесса пластического деформирования разработаны температурно-деформационные и скоростные режимы горячей и неполной горячей прокатки полос на реверсивном четырехвалковом стане 400/1000x1000, обеспечивающие стабилизацию их механических свойств и снижение нагрузки на валки на 8-10 %. По результатам

физического моделирования получены уравнения для прогнозирования механических свойств цинк-титанового сплава в зависимости от суммарного относительного обжатия и температуры начала прокатки.

10. Создано и промышленно апробировано обводное устройство нереверсивной двухвалковой прокатной клети, обеспечивающее завершенность первичной рекристаллизации низкоуглеродистой стали СтЗсп к началу последующего обжатия и улучшение качества полос по структуре и механическим свойствам.

11. Получено обобщенное регрессионное уравнение для определения предельного относительного бокового обжатия еь раската из стали и медных сплавов в вертикальных валках в зависимости от отношения А/А и модуля упругости Е материала полосы в широком диапазоне их изменения. Использование данного уравнения для расчета настройки вертикальных валков реверсивного стана 850x1000 позволило стабилизировать ширину полос из медных

сплавов при горячей прокатке без потери продольной устойчивости.

* * *

Внедрение новых технологических режимов прокатки полос на HJIMK, Московском и Кольчугинском заводах ОЦМ позволило получить экономический эффект около 15,2 млн. руб., в том числе около 255 тыс. руб. в ценах до 1991 г. и освоить производство новых видов проката.

Основное содержание диссертации опубликовано в монографии

1. Кохан, JI.C. Листовая прокатка металлов и заготовок из металлических порошков [Текст] / Л.С. Кохан, И.Г. Роберов, A.B. Алдунин, К.А. Гостев - М.: МГВМИ, 2008.-224 с.

в тезисах докладов

2. Алдунин, A.B. Формирование структуры при скоростной горячей прокатке низкоуглеродистой стали [Текст] / A.B. Алдунин, В.М. Белявская, В.И. Лизунов и др. // Вопросы металловедения и термической обработки стали и ти-

тановых сплавов: Тезисы докладов V Уральской школы металловедов-термистов (г. Киров, 13-18 марта 1977 г.). - Пермь: Перм. обл. правл. НТО машпром, 1977. - С. 37.

3. Григорян, Г.Г. Учет технологических ограничений при управлении качеством полосы в чистовой группе широкополосного стана [Текст] / Г.Г. Григорян, A.C. Гуров, P.JI. Шаталов, A.B. Алдунин // Автоматизация листовых станов горячей прокатки: Материалы всесоюзного научн.-техн. семинара (г. Кривой Рог, 12-16 сентября 1977 г.). - М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1977. - С. 69-70.

4. Штремель, М.А. Алгоритм управления структурой стальных полос на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки [Текст] / М.А. Штремель, В.И. Лизунов, A.B. Алдунин // Современные проблемы повышения качества металла: Материалы конференции. - Донецк: ДЛИ, 1978. — С. 155-156.

5. Штремель, М.А. Управление структурой при горячей прокатке малоуглеродистых сталей на непрерывно-широкополосном стане [Текст] / М.А. Штремель, В.И. Лизунов, А.Ф. Пименов, Ю.А. Мухин, Ю.Д. Железнов, В.В. Шкатов, A.B. Алдунин // Прогрессивные технологические процессы в производстве холоднокатаного листа: Тезисы докладов Всесоюзного научн.-техн. семинара (г. Липецк, октябрь 1981 г.). - М.: ЦНИИТЭИ, 1981. - С. 34.

6. Алдунин, A.B. Преобразование разнозернистости аустенита при горячей прокатке полосовой низкоуглеродистой стали [Текст] / A.B. Алдунин, В.В. Шкатов, Ю.А. Мухин // Прогрессивные технологические процессы в производстве холоднокатаного листа: Тезисы докладов Всесоюзного научн.-техн. семинара (г. Липецк, май 1985 г.). - М.: ЦНИИТЭИ, 1985. - С. 9 - 10.

7. Алдунин, A.B. Модель распределения температуры по толщине горячекатаной полосы на отводящем рольганге НШС [Текст] / A.B. Алдунин // Теплофизика технологических процессов: Тезисы докладов VII-ой Всес. научн.-техн. конференции (г, Тольятти, 18-20 октября 1988 г.). - Тольятти: ТЛИ, 1988.-С. 26.

8. Алдунин, A.B. Резервы повышения конструктивной прочности горячекатаного полосового металла [Текст] / A.B. Алдунин, И.М. Володин // Наука -производству: Тезисы докладов Республиканской научн.-техн. конференции,

посвященной 10-летию КамПИ (г. Набережные Челны, 27 - 29 марта 1990 г.). -Набережные Челны: КамПИ, 1990. - С. 7 - 8.

9. Босхамджиев, Н.Ш. Ресурсоэнергосберегающая технология производства тонких полос из «титан-цинка» [Текст] / Н.Ш. Босхамджиев, P.JI. Шаталов, A.B. Алдунин // Ресурсоэнергосбережение - XXI век: Тезисы докладов конференции (г. С.-Петербург, 14-16 ноября 2000 г.). - С.-П.: РЭСТЭК. - 2000. - С. 59.

10. Зисельман, B.JI. Разработка режимов термомеханической обработки, улучшающих механические свойства лент из бериллиевой бронзы [Текст] / B.JI. Зисельман, P.JI. Шаталов, A.B. Алдунин // Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов: Тезисы (г. Москва, 25 - 26 октября 2006 г.). - М.: МИСиС, 2006. - С. 79.

в статьях

И. Железное, Ю.Д. Моделирование дробной горячей деформации на непрерывном стане [Текст] / Ю.Д. Железнов, Г.Г. Григорян, A.B. Алдунин, О.В. Максимова // Изв. вуз. Черная металлургия. - 1979. - № 1. - С. 64 - 67.

12. Железнов, Ю.Д. Об учете неравномерности деформации по толщине полосы при управлении процессом прокатки на широкополосном стане [Текст] / Ю.Д. Железнов, Г.Г. Григорян, A.B. Алдунин // Новые технологические процессы обработки металлов давлением: Научные труды МИСиС. - М.: Металлургия, 1979.-№ 112. - С. 45 - 49.

13. Железнов, Ю.Д. Улучшение механических свойств стальных полос при непрерывной горячей прокатке [Текст] / Ю.Д. Железнов, Г.Г. Григорян, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин и др. // Изв. вуз. Черная металлургия. - 1981. - № 7.-С. 64-68.

14. Григорян, Г.Г. Модель распределения температуры по толщине полосы при ее охлаждении на отводящем рольганге НШС [Текст] / Г.Г. Григорян, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, А.П. Гиря // Изв. вуз. Черная металлургия. - 1981. - № 9. - С. 73-76.

15. Мухин, Ю.А. Проблемы улучшения структуры и свойств горячекатаных стальных полос в условиях НШС [Текст] / Ю.А. Мухин, A.B. Алдунин // Тонколистовая прокатка. Межвуз. сб. - Воронеж: ВПИ, 1981. - С. 27 - 32.

16. Штремель, М.А. Преобразование зерна при первичной рекристаллизации [Текст] / М.А. Штремель, В.И. Лизунов, В.В. Шкатов, A.B. Алдунин // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1984. - № 6. - С. 2 - 5.

17. Алдунин, A.B. Резервы стабилизации механических свойств горячекатаных полос [Текст] / A.B. Алдунин, А.П. Гиря // Теория и практика тонколистовой прокатки. Межвуз. сб. - Воронеж: ВПИ, 1986. - С. 135 - 139.

18. Мухин, Ю.А. Моделирование условий горячей прокатки на непрерывном стане [Текст] / Ю.А. Мухин, В.В. Шкатов, A.B. Алдунин, И.Л. Бобылев // Изв. вуз. Черная металлургия. - 1987. - № 2. — С. 44 - 48.

19. Босхамджиев, Н.Ш. Проблемы прокатки полос из цинкового сплава с заданными размерами и физико-механическими свойствами [Текст]! Н.Ш. Босхамджиев, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин И Моделирование и исследование сложных систем: Сб. трудов международной научн.-техн. конференции. Т. 1 (г. Севастополь, 9-17 сентября 2000 г.). - М.: МГАПИ, 2001. - С. 38 - 40.

20. Кудин, М.В. Производство полосового проката из сплава «титан-цинк» [Текст] / М.В. Кудин, Н.Ш. Босхамджиев, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин // Теория и практика производства проката: Сб. научн. трудов Международной научн.-техн. конференции (г. Липецк, 6-7 февраля 2001 г.). - Липецк: ЛГТУ,

2001. -С.179- 183.

21. Кудин, М.В. Производство качественных коррозионностойких полос из цинк-титана [Текст] / М.В. Кудин, Н.Ш. Босхамджиев, В.Л. Зисельман, Р.Л. Шаталов, Д.К. Фигуровский, A.B. Алдунин // Цветные металлы. - 2001. -№ 3. -С. 71-75.

22. Шаталов, Р.Л. Разработка режимов горячей прокатки полос из сплава титан-цинк [Текст] / Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, Н.Ш. Босхамджиев // Сб. трудов четвертого конгресса прокатчиков. Т. 1 (г. Магнитогорск, 16 - 19 октября 2001 г.). - М.: Черметинформация, 2002. - С. 86 - 89.

23. Шаталов, Р.Л. Разработка режимов горячей деформации полос из цинкового сплава на основе моделирования методами кручения и прокатки [Текст] / Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, Н.Ш. Босхамджиев // Производство проката. -

2002.-№3.-С. 18-20.

24. Алдунин, A.B. Установление распределения напряжений в очаге пластической деформации методом структурного анализа [Текст] / A.B. Алдунин, Н.Д. Лукашкин, JI.C. Кохан и др. // Сб. трудов VI Международного Конгресса «Кузнец-2002. Состояние, проблемы и перспективы развития КШП, КП машин и обработки металлов давлением». Вып. 2 (г. Москва, 3-5 июня 2002 г.). - М.: МГВМИ, 2002. - С. 29 - 31.

25. Лукашкин, Н.Д. Построение режима обжатий при горячей прокатке низкоуглеродистой стали с учетом процессов структурообразования [Текст] / Н.Д. Лукашкин, Л.С. Кохан, A.B. Алдунин, A.B. Борисов // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением: Сб. трудов МГВМИ и Союза Кузнецов. Вып. 3. - М.: МГВМИ, 2003. - С. 70 - 73.

26. Алдунин, A.B. Влияние горячей деформации на кинетику превращения аустенита низкоуглеродистой стали при охлаждении [Текст] / A.B. Алдунин // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением: Сб. трудов МГВМИ и Союза Кузнецов. Вып. 3. - М.: МГВМИ, 2003. - С. 103 -109.

27. Шаталов, Р.Л. Определение коэффициента контактного трения при горячей прокатке полос из сплава «цинк-титан» [Текст] / Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, Н.Ш. Босхамджиев // Производство проката. - 2004. - № 3. - С. 13 -14.

28. Зисельман, В.Л. Особенности технологии и основные проблемы производства плоского проката из бериллиевых бронз [Текст] / В.Л. Зисельман, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин // Цветные металлы. - 2004. - № 11. - С. 107 -110.

29. Алдунин, A.B. Построение качественной диаграммы рекристаллизации низкоуглеродистой стали для расчета режимов горячей прокатки полос [Текст] / A.B. Алдунин // Проблемы повышения качества подготовки специалистов в области художественной обработки металлов: Материалы II Всероссийской межвузовской научн.-практ. конференции (г. Москва, 16 ноября 2004 г.). -М.: МГВМИ, 2004. - С. 127 - 129.

30. Зисельман, В.Л. Совершенствование режимов горячей деформации полосовой заготовки из бериллиевых бронз на основе пластометрического моделирования [Текст] / В.Л. Зисельман, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин // Теория и

практика производства листового проката. Ч. 1 (г. Липецк, 8 — 9 февраля 2005 г.). - Липецк: ЛГТУ, 2005. - С. 90 - 93.

31. Зисельман, В.Л. Определение зависимости сопротивления пластической деформации бериллиевой бронзы от технологических параметров для условий горячей прокатки [Текст] / В.Л. Зисельман, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, H.H. Литвинова // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением: Сб. трудов МГВМИ. Вып. 5. - М.: МГВМИ, 2005.-С. 94-96.

32. Зисельман, В.Л. Совершенствование технологии производства и качество лент из бериллиевых бронз [Текст] / В.Л. Зисельман, Н.Ш. Босхамджиев, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, С.Ю. Передерий // Цветные металлы. - 2005. - № 12.-С. 86-89.

33. Шаталов, Р.Л. Усовершенствование режимов прокатки лент из бериллиевой бронзы на основе пластометрического исследования реологических свойств сплава [Текст] / Р.Л. Шаталов, В.Л. Зисельман, A.B. Алдунин, А.О. Коньков // Цветные металлы. - 2006. - № 1. - С. 74 - 77.

34. Зисельман, В.Л. Разработка рациональных режимов термомеханической обработки для получения качественных лент из бериллиевых бронз [Текст] / В.Л. Зисельман, Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин // Металлург. - 2006. - № 2.-С. 72-75.

35. Zisel'man, V.L. Developing efficient regimes of thermomechanical treatment for obtaining quality strip made of beryllium bronzes [Текст] / V.L. Zisel'man, R.L. Shatalov, A.V. Aldunin // Metallurgist. - 2006. - V. 50. - N. 1-2. - P. 102 -107.

36. Алдунин, A.B. Технология производства качественных лент из бериллиевой бронзы на основе использования ресурса пластичности и закономерностей формирования свойств [Текст] / A.B. Алдунин, Р.Л. Шаталов, В.Л. Зисельман, Т. А. Койнов // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением: Сб. трудов МГВМИ- М.: МГВМИ, 2007. -Вып. 6.-С. 183-186.

37. Шаталов, Р.Л. Исследование продольной устойчивости полос из медных сплавов при прокатке в вертикальных валках полосового стана [Текст] /

Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, C.A. Карпов, A.E. Шиманаев // Металлург. - 2007. -№10.-С. 57-59.

38. Алдунин, A.B. Разработка режимов горячей прокатки низкоуглеродистой стали с использованием закономерностей структурообразования [Текст] / A.B. Алдунин//Производство проката.-2007.-№ 11.-С. 7-8.

39. Алдунин, A.B. Проникновение пластической деформации по толщине прокатываемой полосы [Текст] / A.B. Алдунин, Л.С. Кохан // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2007. - № 11. - С. 34 - 37.

40. Алдунин, A.B. Определение условий минимизации уширения при производстве плоского проката [Текст] / A.B. Алдунин, Л.С. Кохан // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2008. -№ 1. - С. 40 - 43.

41. Шаталов, Р.Л. Исследование влияния натяжения на продольную устойчивость полос из медных сплавов, прокатываемых на стане с вертикальными валками [Текст] / Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, С.А. Карпов // Цветные металлы. - 2008. - № 4. - С. 74-75.

42. Шаталов, Р.Л. Исследование продольной устойчивости полос из медных сплавов, прокатываемых на стане с вертикальными валками [Текст] / Р.Л. Шаталов, A.B. Алдунин, С.А. Карпов. - Теория и практика производства листового проката. Сб. научн. тр. Часть 1. - Липецк: ЛГТУ, 2008. - С. 152 -157.

43. Алдунин, A.B. Исследование влияния основных металлофизических факторов на упрочнение бериллиевой бронзы при производстве лент [Текст] / A.B. Алдунин, Р.Л. Шаталов, Н.Ш. Босхамджиев, В.Л. Зисельман // Цветные металлы. - 2008. - № 5. - С. 58 - 61.

44. Алдунин, A.B. Основные принципы оптимизации процессов горячей прокатки полос по структуре и пластичности металла [Текст] / A.B. Алдунин // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2008. - № 5. - С. 23 - 26.

45. Алдунин, A.B. Устойчивость прокатки полос в вертикальных валках полосового стана [Текст] / A.B. Алдунин, Л.С. Кохан И Изв. вузов. Черная металлургия. - 2008. - № 7. - С. 16 - 20.

46. Aldunin, A.V. Stability of Strip Rolling in Vertical Rollers [Текст] / A.V. Aldunin, L.S. Kokhan // Steel in Translation. - 2008. - V. 38. - N. 7. - P. 517 - 521.

47. Алдунин, А.В. Разработка рациональной компоновки оборудования на участке «чистовая группа - моталки» непрерывного широкополосного стана [Текст] / А.В. Алдунин // Изв. вуз. Черная металлургия. - 2009. — № 1. - С. 19 — 22.

48. Алдунин, А.В. Упрочнение бериллиевой бронзы при производстве лент [Текст] / А.В. Алдунин, Р.Л. Шаталов Ч Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы Международной научно-техн. конференции (г. Москва, 30-31 марта, 1 апреля 2009 г.). - М.: МГОУ, 2009. - С. 238 - 241.

49. Aldunin, A.V. Rational Configuration of Finishing Group and Winding Unit for a Continuous Broad-Strip Mill [Текст] / A.V. Aldunin // Steel in Translation. - 2009. - V. 39. - N. 1. - P. 7 - 10.

50. Алдунин, А.В. Разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий производства плоского проката из сплавов цветных металлов с заданными свойствами [Текст] / А.В. Алдунин, Р.Л. Шаталов, Н.Ш. Босхамджиев, В.Л. Зи-сельман И Цветная металлургия. - 2009. - № 11. - С. 29 - 30.

51. Алдунин, А.В. Использование диаграммы рекристаллизации цинк-титанового сплава для разработки режимов горячей прокатки полос [Текст] / А.В. Алдунин // Цветные металлы. - 2010. - № 9. - С. 73 - 75.

в изобретениях

52. А. с. 1127656 (СССР). Железнов, Ю.Д. Обводное устройство нереверсивной прокатной клети ДУО [Текст] 1 Ю.Д. Железнов, А.В. Алдунин // Бюл. -1984.-№45.

53. Патент 2396134 (Россия). Алдунин, А.В. Способ производства горячекатаных полос из низкоуглеродистой стали [Текст] / А.В. Алдунин // Бюл. -2010.-№22.

Усл.печл. 3. Тираж 100 экз. Заказ № 235. Издательство Московского государственного открытого университета. 107996, Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22 Типография МГОУ

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОКАТКИ ПОЛОС.

1.1. Аналитический обзор методов повышения эффективности

I листопрокатного производства.

1.1.1. Возможности регулирования производительности агрегатов и температурно-скоростных режимов прокатки полос.

1.1.2. Регулирование качества геометрии и поверхности полос.

1.1.3. Влияние условий деформирования на пластические свойства и сопротивление деформации прокатываемых полос.

1.1.4. Влияние технологических параметров на структуру и свойства горячекатаных полос.

1.1.5. Основные направления совершенствования листопрокатного производства.

1.2. Анализ качества производимых полос

1.3. Цель и задачи исследования.

1.4. Усовершенствование методов разработки технологий прокатки полос.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

2.1. Методика моделирования условий структурообразования при дробной горячей деформации на НШСГП

2.2. Методика исследования преобразования структуры низкоуглеродистой стали при последеформационном охлаждении

2.3. Особенности методики исследования реологических свойств сплавов

2.4. Методика исследования продольной устойчивости полос при прокатке в вертикальных валках полосового стана

2.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОЛОС ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ.

3.1. Формирования структуры аустенита низкоуглеродистой стали в процессе дробной горячей деформации

3.2. Распределение пластической деформации по толщине прокатываемых полос при*умеренных обжатиях

3.3. Преобразование структуры низкоуглеродистой стали при последеформа-ционном охлаждении.

3.4. ВЫВОДЫ ПОГЛАВЕ 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ШСТРУКТУРЫ ПОЛОС ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ.

4.1. Определение сопротивления деформации бериллиевой бронзы.

4.2. Исследование предельной пластичности сплавов БрБ2.

4.3. Физическое моделирование процесса дробнойторячей деформации при прокатке полос из бериллиевой бронзы.

4.4. Исследование основных закономерностей упрочненияразупрочнения (при прокатке цинк-титанового сплава.

4.5. Влияние режимов термомеханической обработкина механические свойства дисперсионно-упрочняемого медного сплава'.

4.6. Исследование влияния основных металлофизических факторов на упрочнение бериллиевой бронзы при производстве лент.

4.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ДОСТИЖЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРОКАТЫВАЕМЫХ ПОЛОС.

5.1. Распределение пластической деформации по толщине полосы.

5.2. Определение условий минимизации уширения при производстве плоского проката.

5.3. Продольная устойчивость полос при прокатке в вертикальных валках^.

5.4. Основные принципы оптимизации процессов прокатки полос с учетом пластичности металла

5.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

6. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМА НАСТРОЙКИ НШСГП НА ПРОИЗВОДСТВО КАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ПОЛОС.

6.1. Модель структурообразования полосы в чистовой группе НШСГП.

6.2. Определение возможности регулирования структуры и механических свойств по толщине толстых полос при горячей прокатке.

6.3. Разработка корректировки модели структурообразования полосы применительно к условиям прокатки на НШСГП.

6.4. Модель формирования структуры и механических свойств стальных полос при охлаждении.

6.5. НШСГП как объект управления структурой прокатываемых полос. Критерий оптимальной настройки стана.

6.6. Структура алгоритма настройки чистовой группы клетей НШСГП.

6.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6.

7. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ'ПОЛОС И ЛЕНТ

ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ.

7.1. Модели сопротивления пластической деформации и предельной пластичности сплава БрБ2.

7.2. Модели формирования структуры и механических свойств при прокатке полос из цинк-титанового сплава.

7.3. Модели формирования механических свойств лент из бериллиевой бронзы.

7.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 7.

8. РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛОС И ЛЕНТ ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА.

8.1. Разработка рациональных режимов горячей прокатки стальных полос на

НШСГП.

8.2. Анализ схемы компоновки оборудования на участке «чистовая группа -моталки» НШСГП.

8.3. Обводное устройство для горячей прокатки стальных штрипсов на нереверсивной двухвалковой клети.

8.4. Усовершенствование технологии и разработка рациональных режимов прокатки и термообработки лент из бериллиевой бронзы.

8.5. Разработка режимов прокатки лент из сплава «цинк-титан».

8.6. Стабилизация продольной устойчивости полос при прокатке в вертикальных валках полосового стана.

8.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 8.

В связи с укреплением в экономике России рыночных отношений важнейшими задачами, стоящими перед черной и цветной металлургией на период до 2025 года, являются дальнейшее повышение эффективности производства, расширение сортамента и улучшение качества продукции [1].

Развитие таких металлоемких отраслей промышленности как судостроение, автомобиле- и тракторостроение, атомная промышленность, электротехника и электроника'постоянно увеличивает спрос на листовой'прокат из стали и цветных металлов и сплавов. Доля листового проката в общем объеме производства.проката растет из года в год.

Фундаментальный<вклад в теорию и практику горячей и холодной прокатки полос внесли российские и зарубежные ученые: Д.К. Чернов, И.М. Павлов, С.И. Губкин, Г.А. Смирнов-Аляев, А.И. Целиков, П.И1 Полухин, А.П. Чекмарев, И .Я.: Тарновский, A.A. Королев, Ю.Д. Железнов, В.П. Полухин, В.Л. Колмогоров, B.C. Смирнов, А.К. Григорьев, Г.Я. Гун, А.П. Грудев, Н.Д. Лукашкин, Р.Л. Шаталов, Л.С. Кохан, Е. Orowan, S. Ekelund, M.D. Stone [2-24].

Основополагающий вклад в совершенствование теории и практики прокатки, а также улучшение показателей качества полос сделали В.Н. Выдрин, И.М5." Меерович, М.М. Сафьян, A.B. Третьяков, В.И. Зюзин, Ю.Ф. Шевакин, Э.А. Гар-бер, А.Б. Челюсткин; Г.Г. Григорян, В.Н. Хлопонин, А.Ф. Пименов, А.Е. Шелест, A.B. Зиновьев; Г.В: Ашихмин, T. Tanaka, S. Nowak [25-38].

Значительный вклад в развитие методов исследования пластичности и физико-механических свойств металлов и сплавов внесли A.A. Ильюшин, A.A. По-здеев, В.И. Тарновский, М.Я. Бровман, А.П. Смирягин, H.A. Чиченев, В.К. Воронцов, A.A. Богатов, A.M. Галкин [39-48].

Исследованию формирования структуры и механических свойств прокатываемых полос посвящены работы М.Л. Бернштейна, В.Т. Жадана, С.С. Горелика, Л.М. Капуткиной, C.B. Добаткина, Ю.А. Мухина, К.Ф. Стародубова, Ю.И. Матросова, М.А. Штремеля, В.В. Шкатова, Вл. Дедека, KJ. Irvine, M.J. Morgan, F.B. Pickering [49-66].

В настоящее время особое значение приобретают вопросы экстенсивного развития и эффективной эксплуатации листопрокатных станов, включая использование ресурсосберегающих и наукоемких технологий.

Дальнейшее повышение качества продукции возможно за счет совершенствования к разработки новых технологий производства' на- основе использования' закономерностей формирования, структуры, и физико-механических свойств, а также скрытых резервов; обрабатываемого материала по пластичности и упрочнению.

Представленные в данной диссертационной работе результаты, научных исследований были получены автором на протяжении 27 лет. Ряд оригинальных разработок, выполненных автором в кандидатской диссертации (1981 г.), получили; свое: развитие в последующие годы. Впервые базовый вариант алгоритма управления* структурой стальных полос на непрерывном широкополосном: стане горячей прокатки: (НШСГП) был разработан' В.И. Лизуновым и автором? настоящей! диссертации; под: научным руководством Ю.Д. Железнова и М.А. Штремеля: [67] , которым: автор: выражает искреннюю благодарность. Автор также глубоко благодарит проф:, д.т.н. Р.Л. Шаталова и проф., д.т.н. Л.С. Кохана за консультации при выполнении данной работы.

Актуальность проблемы. Расширение номенклатуры изготавливаемых конструкций, машин и приборов, эксплуатируемых в сложных условиях нагружения, предъявляет все более жесткие требования к комплексу физико-механических свойств и1 точности геометрических размеров полосового проката из стали и цветных металлов; Решающее влияние на структуру и свойства готовой продукции оказывают температурно-деформационные и скоростные условия:горячей прокатки, последующего охлаждения и термообработки.

За последние десятилетия решены многие проблемы повышения эффективности процессов производства полосового проката. Однако, несмотря на большое число проведенных теоретических и экспериментальных исследований, актуальной остается проблема улучшения потребительских свойств производимых полос и обеспечения требуемого качества продукции из новых сплавов при минимальных затратах материальных и энергетических ресурсов.

Еще недостаточно изучены закономерности формирования структуры металла в процессе дробной деформации при горячей прокатке, а также не исчерпан ресурс пластичности и упрочнения новых материалов. Основные характеристики используемого технологического оборудования не всегда обеспечивают осуществление оптимальных по качественным показателям технологических режимов.

В связи с дальнейшим освоением^ быстродействующей управляющей, и вычислительной техники большую актуальность имеют вопросы математического описания технологических процессов, включая физические явления в обрабатываемом металле, и разработки критериев оптимальности управления этими процессами.

Таким образом, исследование основных закономерностей формирования структуры и свойств при прокатке полос из различных металлов и сплавов, технологических и силовых ограничений, разработка математических моделей и алгоритмов' имеют важное научное'и практическое значение. Разработка на этой базе новых технологических и технических решений является актуальной задачей для листопрокатного производства:

Работа выполнена в соответствии с планами НИР МИСиС, ЛГТУ и МГОУ. Результаты исследований отмечены Серебряной медалью Международной выставки «Металл-Экспо» в 2005 году.

Научная новизна. 1. Установлены основные закономерности и разработаны математические модели формирования заданной структуры при непрерывной горячей прокатке полос, учитывающие влияние параметров напряженно-деформированного состояния металла в очаге пластической деформации; уточнена трехмерная диаграмма рекристаллизации аустенита стали СтЗсп в координатах «обратная температура — логарифм относительного обжатия — логарифм времени» для условий завершения первичной рекристаллизации и впервые построена подобная диаграмма для сплава «цинк-титан», позволяющие оптимизировать режим горячей прокатки полос по структуре и повышать однородность физико-механических свойств проката.

2. В результате уточнения и развития теории продольной устойчивости прокатываемых полос в горизонтальных и вертикальных валках полосового стана, минимизации процессов уширения, более полного использования ресурса пластичности металла и распределения деформации по толщине полосы установлены допустимые пределы,изменения относительного обжатия, напряжения натяжения, температуры и скорости деформации для стабилизации процесса прокатки и улучшения качества металла.

3. Научно» обоснована и разработана- методология, построения алгоритма расчета начальной настройки чистовой группы клетей НШСГП на производство проката с заданными структурой и механическими свойствами.

4. Разработаны и научно обоснованы зависимости физико-механических свойств бериллиевой.бронзы и цинк-титанового сплава'от основных технологиче4' V ских параметров, позволяющие производить прокат требуемого качества с широким^ диапазоном свойств в соответствии с международными стандартами:

5. Впервые установлена обобщенная зависимость величины предельного относительного обжатия- еь раската от отношения размеров к/Ь и модуля упруго-, сти Е в широком диапазоне их изменения при прокатке сплавов черных и цветных металлов в вертикальных валках полосовых станов для получения качественной продукции и развития математического обеспечения систем настройки валков.

Практическая значимость и реализация результатов работы. 1. Внедрен новый режим прокатки укрупненной полосовой заготовки из бериллиевой бронзы толщиной 6 мм за восемь проходов- вместо девяти на двухвалковом стане 700x1300 (технологическая инструкция ТИ СМК-23/27-6-2003); уменьшено с четырех до трех число прокатных переделов; освоен выпуск лент с более широким диапазоном механических свойств и точностью по толщине, соответствующими требованиям международных стандартов; выход годного увеличен на 8,8 % за счет стабилизации структуры и механических свойств, а также сокращения расслоений, краевых трещин и обрывов при прокатке (Московский завод по обработке цветных металлов).

Результаты исследований использованы при проектировании нового завода по производству плоского проката из пружинных сплавов.

2. Разработанные математические модели структурообразования низкоуглеродистой стали СтЗсп используются в алгоритмах расчета сопротивления деформации прокатываемых полос в системе начальной настройки клетей- чистовой группы стана 2000; применение данных моделей повысило точность настройки стана, улучшило структуру и увеличило стабильность механических свойств-производимых горячекатаных полос в 1,2-1,8"раза (Ново-Липецкий.металлургический комбинат).

Усовершенствованный алгоритм расчета'настройки НШСГП необходим*при разработке систем автоматического управления, качеством горячекатаных стальных полос и технологическом проектировании'станов нового поколения.

3. Разработаны температурно-деформационные и скоростные режимы горячей' и неполной горячей прокатки полос из сплава «цинк-титан» на реверсивном четырехвалковом стане 400/1000x1000, при которых ресурс пластичности обрабатываемого материала используется более полно, чем по1 действующей технологии. Внедренный режим» неполной^ горячей прокатки цинк-титанового сплава обеспечил улучшение и стабилизацию комплекса механических свойств готового проката с уменьшением диапазона их разброса в 1,4-1,6 раза (Московский завод по обработке цветных металлов).

4. Разработаны и внедрены рациональные режимы обжатий по ширине полос при горячей прокатке медных сплавов на реверсивном двухвалковом стане 850x1000, обеспечивающие уменьшение разноширинности на-выходе из стана в среднем на 4 мм без потери продольной устойчивости полосы и перегрузки валков (Кольчугинский завод по обработке цветных металлов).

5. Разработанная методика расчета распределения пластической' деформации по всему сечению прокатываемой полосы для уточнения числа проходов и соответственно усилий используется при проведении занятий по дисциплине

Теория обработки металлов давлением» (Московский государственный открытый университет).

6. Использование и внедрение результатов работы в промышленности позволило получить экономический эффект около 15,2 млн. руб; и освоить производство новых видов прокатной продукции.

Обоснованность и достоверность основных положений и результатов диссертации' определяется; применением: аналитических методов исследования, использованием; фундаментальных, основ;теории прокаткщ методов математической статистики; современных методов физического моделирования и пластометриче-ских испытаний, применением; компьютерных технологий- и практической- реализацией в условиях реального производства.

Личный;вклад соискателя: Пршпроведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, диссертантом предложены основные идеи и выполнены, теоретические, технологические и технические разработки; а также сделан обобщающий^ анализ-результатов:

Положения, выносимые на; защиту. 1. Развитая? методика и, опытная? установка для физического моделирования условий структурообразования стали при производстве полос на Н1ПСГП. .

2. Основные закономерности и математические: модели * формирования^ заданной структуры низкоуглеродистош стали при непрерывной горячей прокатке полос И: последующем охлаждении, учитывающие влияние напряженно-деформированного?состояния>металла,в очаге пластической деформации.

3. Основные закономерности формирования физико-механических свойств бериллиевой бронзы, и цинк-титанового сплава при прокатке полос; на реверсивных станах.

4. Развитая теория продольной устойчивости полосы при боковом обжатии вертикальными вал ками> полосового стана.

5. Основные принципы оптимизации процесса горячей прокатки полос по структуре и пластичности сплавов с использованием построенных диаграмм рекристаллизации; и диаграммы предельной пластичности.

6. Усовершенствованный алгоритм расчета начальной настройки чистовой группы клетей НШСГП на производство проката с заданной структурой и стабильными механическими свойствами, учитывающий энергосиловые и технологические ограничения, а также требования к геометрии полос.

Апробация результатов диссертации. Основные материалы работы лично доложены и обсуждены на: Всес. научно-техн. семинаре «Автоматизация листовых станов горячей прокатки», г. Кривой Рог, 1977 г.; Всес. научно-техн. конференции «Современные: проблемы; повышения, качества металла», г. Донецк, 1978' г.; Всес. научно-техн. семинаре «Прогрессивные технологические процессы, в; производстве холоднокатаного листа», г. Липецк, 198Г г.; Всес. научно-техн. семинаре «Прогрессивные технологические процессы в производстве холоднокатаного листа»,, г. Липецк, 1985 г.; VIl-ой Всес. научно-техн. конференции- «Теплофизика технологических процессов», г. Тольятти, 1988 г.; Республиканскойшауч-но-техн. конференции «Наука - производству», г. Набережные Челны, 1990 г.; 7-ой Международной научно-техн. конференции «Моделирование и исследование сложных систем», г. Севастополь, 2000 г.; Всес. научно-техш коференции «Ресур-соэнергосбережение: - XXI век», г. С.-Петербург, 2000 г.; Международнойшауч-но-техн. конференции «Теория и практика производства проката», г. Липецк, 2001 г.; 4-ом Конгрессе прокатчиков, г. Магнитогорск, 2001 г.; научно-техн. коференции МЕВМИ и Союза кузнецов «Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением» г. Москва, 2003 г.; Международной научно-техн. конференции «Теория и практика производства листового проката», г. Липецк, 2005 г.; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, г. Москва, 2006 г.; Всероссийской; научно-техн. конференции- «Состояние,, проблемы и перспективы; развития металлургии; и обработки металлов, давлением», г. Москва, 2007 г.; Международной научно-техн. конференции «Теория и практика производства листового проката», г. Липецк, 2008 г.; Международной научно-техн. конференции «Нанотехнологии и нанома-териалы», г. Москва, 2009 г.; 6-ой Международной научно-практ. конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов», г. Москва, 2009 г.; 8-ом Конгрессе прокатчиков, г. Магнитогорск, 2010 г.; Второй международной научно-техн. конференции «Павловские чтения», г. Москва, 2010 г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Развита теория процессов прокатки полос и лент из стали и сплавов цветных металлов, получены основные закономерности формирования структуры и свойств обрабатываемого металла, предложены основные принципы' оптимизации режимов пластического деформирования полос, разработаны и внедрены в производство новые и усовершенствованные технологии производства проката с заданными структурой и< свойствами.

2. Усовершенствованы методика и экспериментальная установка для «физического моделирования? условий структурообразования низкоуглеродистой стали при дробной^ горячей деформации1 с малыми паузами и последующем! охлаждении, воспроизводящая реальные температурно-деформационные, геометрические, кинематические и временные параметры процесса прокатки полос на ншсгп.

3. С использованием результатов физического моделирования установлены основные^ закономерности и- созданы математические- модели формирования» структуры, в процессе- горячей; прокатки полос из низкоуглеродистой' стали и сплавов цветных металлов; предложены диаграммы .рекристаллизации аустенита стали СтЗсп и сплава «цинк-титан» в спрямляющих координатах, вч которых упрощается их математическое описание, что позволяет использовать эти диаграммы в г быстродействующих алгоритмах управления-структурой и. механическими свойствами прокатываемых полос.

4. В'результате развития теории влияния натяжения на продольную устойчивость раската при его боковом обжатии вертикальными валками полосового стана установлена линейная .зависимость величины прогиба полосы от напряжения-натяжения при его изменении, в пределах (0-0,2)-а3. Определено оптимальное соотношение коэффициентов переднего и заднего натяжения для минимизации силовых параметров процесса прокатки /£0 = 1,27.

5. Предложен метод минимизации уширения прокатываемых полос за счет уменьшения протяженности зоны отставания (поиска максимума относительной величины нейтрального угла у 1а) путем регулирования обжатия и натяжения, позволяющий повысить выход годного и стабилизировать нагрузку на рабочие валки.

6. Создана методология оптимизации режимов горячей прокатки полос с использованием диаграмм рекристаллизации и предельной пластичности, сущность которой состоит: в минимизации разнозернистости металла за счет перераспределения обжатий по проходам; в выборе интервалов температур и скоростей деформации с высокой пластичностью материала с учетом* нижнего ограничения относительного обжатия по условию распределения деформации по. всей -толщине полосы. Режимы прокатки полос из стали СтЗсп, рассчитанные с использованием усовершенствованного алгоритма расчета начальной настройки чистовой группы клетей НШСГП, промышленно апробированы на стане 2000:

7. На основе результатов испытаний образцов на кручение' определены реологические свойства бериллиевой бронзы,БрБ2: получено уравнение для,расчета сопротивления деформации сплава применительно к условиям прокатки полосовых заготовок на двухвалковом стане 700x1300; определена зависимость предельной пластичности сплава' от температуры- и скорости деформации; позволившая; установить область температур и скоростей* деформации с повышенной пластичностью сплава. Разработан новый ресурсосберегающий-вариант технологии и рациональные режимы производства лент из бериллиевой бронзы: для. горячей прокатки полосовой .заготовки предложено использовать укрупненную заготовку с уменьшением числа проходов» с девяти до-восьми; сокращено с четырех до трех число прокатных переделов; разработаны« режимы искусственного старения, позволившие освоить производство новых видов прокатной*продук-ции.

8. По'итогам промышленных экспериментов получены регрессионные зависимости физико-механических свойств сплава БрБ2 от размера зерна; содержания бериллия и степени деформации при холодной прокатке, а также температуры и времени искусственного старения лент из различных исходных состояний. Данные уравнения позволяют прогнозировать механические свойства готовой прокатной продукции в различных состояниях поставки.

9. Для сплава «цинк-титан» с использованием построенной диаграммы рекристаллизации и результатов физического моделирования процесса пластического деформирования разработаны температурно-деформационные и скоростные режимы горячей и неполной горячей прокатки полос на реверсивном четырех-валковом стане 400/1000x1000, обеспечивающие стабилизацию их механических свойств и снижение нагрузки на валки на 8-10 %. По результатам физического моделирования получены уравнения для прогнозирования механических свойств цинк-титанового сплава в зависимости от суммарного относительного обжатия и температуры начала прокатки.

10. Создано и промышленно апробировано обводное устройство нереверсивной двухвалковой прокатной клети, обеспечивающее завершенность первичной рекристаллизации низкоуглеродистой стали СтЗсп к началу последующего обжатия и улучшение качества полос по структуре и механическим свойствам.

1 Г. Получено обобщенное регрессионное уравнение для определения предельного относительного бокового обжатия еь раската из стали и медных сплавов в вертикальных валках в зависимости от отношения Н1Ь и модуля упругости Е материала полосы в широком диапазоне их изменения. Использование данного уравнения для расчета настройки вертикальных валков реверсивного стана 850x1000 позволило стабилизировать ширину полос из медных сплавов при горячей прокатке без потери продольной устойчивости. * *

Внедрение новых технологических режимов прокатки полос на НЛМК, Московском и Кольчугинском заводах ОЦМ позволило получить экономический эффект около 15,2 млн. руб., в том числе около 255 тыс. руб. в ценах до 1991 г. и освоить производство новых видов проката.

1. Федеральный портал. Перспективы развития российской металлургии. <http://protown.ru/iformation/hide/4487.html>.

2. Чернов Д.К. Труды Дмитрия Константиновича Чернова. Пг.: Русское металлург, общество, 1915. — 192 с.

3. Павлов И.М. Теория прокатки. М.: Металлургиздат, 1950. - 610 с.

4. Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1947.-532 с.

5. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическим деформациям. Краткие основы. М.-Л.: Машгиз, 1949. - 248'с.

6. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. — М.: Металлургиздат, 1962. 494 с.

7. Целиков А.И., Гришков А.И. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1970. -358 с.

8. Машины и агрегаты металлургических заводов. Т. 3. Машины и? агрегаты для. производства и отделки, проката / Целиков А.И.,. Полухин П.И., Гребеник B.M. и др. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Металлургия^ 1988. - 680 с.

9. Полухин П.И., Железное Ю.Д., Полухин В.П. Тонколистовая прокатка и служба валков. М.: Металлургия, 1967. - 388 с.

10. Теория прокатки крупных слитков / Чекмарев А.П., Павлов В.Л., Мелешко В.И., Токарев В.А. М.: Металлургия, 1968. - 251 с.

11. Тарновский И .Я., Пальмов Е.В., Тягунов В.А. Прокатка на блюминге. М.: Металлургиздат, 1963. - 389 с.

12. Королев A.A. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. М.: Металлургия, 1969. — 46Фс.

13. Железнов Ю.Д. Прокатка ровных листов и полос. М.: Металлургия, 1970. -198 с.

14. Полухин В.П. Математическое моделирование и расчет на ЭВМ листовых15