автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Моделирование деформируемости непрерывнолитой стали с целью совершенствования прокатки сортовых заготовок

„л л

/

| .. Ц С/ ~ ^ ! л чс * -........

4»/- ЧХ / (¿Х-"' V»/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи УДК 621.771.:669.14

АНТОШЕЧКИН БОРИС МИХАЙЛОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ СТАЖ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОКАТКИ СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.16.05. - Обработка металлов давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Член-корреспондент РАН,

профессор В.Л. Колмогоров доктор технических наук Б.А. Мигачев

Екатеринбург 1999

Настоящая диссертационная работа подготовлена в лаборатории квазшметрии технологических процессов и конструкционных материалов Института машиноведения Уральского отделения Российской Академии наук.

Цикл исследовательских испытаний проводился на лабораторном оборудовании кафедры Обработка металлов давлением Уральского государственного технического университета (УГТУ - УПИ).

Автор выражает искреннию признательность сотрудникам прокатного отдела кафедры ОЩ УГТУ - УПИ за поддержку и советы при выполнении данной работы.

О -

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 5.

ГЛАВА I. ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ КОМПЛЕКСОВ РАЗЛИВКИ И ДЕФОРМИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Совмещение процессов непрерывного литья и прокатки заготовок......................................... 13.

1.2. Устранение дефектов литой заготовки обработкой давлением в процессе затвердевания ................ 21.

1.3. Изучение деформируемости литых сталей около температуры солидус ............................... 3?.

1.4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ ..................... 46.

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ ПРИ ПОДСОЛИДУСННХ ТЕМПЕРАТУРАХ

2.1. Усовершенствование методов пластометрических испытаний......................................... 47.

2.2. Показатели деформируемости по результатам определения сопротивления деформации и пластичности 66.

2.3. Возможность идентификации динамической модели сопротивления деформации при испытаниях на осадку.. 95.

2.4. Температурная зависимость коэффициента линейного расширения непрерывнолитой стали 20 .............. 103.

2.5. ВЫВОДЫ........................................... 108.

ГЛАВА III. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ КВАДРАТНЫХ СЛИТКОВ ПРИ РЕДУЦИРОВАНИИ В ГЛАДКИХ ВАЛКАХ

3.1 Выбор материала для моделирования ................ 110.

3.2. Модель формоизменения ............................ 117.

3.3. Модель напряженно-деформированного состояния

на свободной поверхности ......................... 132.

3.4. Концепция алгоритма проектирования режима

обжатий при прокатке ..............................141.

3.5. ВЫВОДЫ............................................143.

ГЛАВА IV. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОКАТКИ ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ В СОВМЕЩЕННОМ ПРОЦЕССЕ "МНЛЗ -ЧИСТОВОЙ СТАН"

4.1. Трансформация структуры непрерывнолитой заготовки

в процессе горячей сортовой прокатки ............. 145.

4.2. Разработка рациональной калибровки валков для прокатки литой заготовки на стане 320/150 ........ 156.

4.3. Применение направленных макросдвиговых деформаций

в межклетьевом пространстве непрерывного стана ... 169.

4.4. ВЫВОДЫ........................................... 180.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................. 182.

ЛИТЕРАТУРА.............................................. 187.

ПРИЛОЖЕНИЯ

П1. Акт внедрения научно-исследовательской работы (НИР).. 209.

П2. Расчет экономического эффекта от внедрения НИР ............214

ПЗ. Отзыв завода о выполненной НИР............................................218

П4. Справка об использовании на 0А0"Уралмаш" результатов

НИР..................................................................................................221

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе отечественная металлургия относится к весьма материало-, топливо- и фондоемкой отрасли. В этой связи ужесточающиеся энергетический и экологический кризисы ставят металлургию в тяжелейшие условия и требуют быстрой ее переориентации на ресурсосберегающие технологии. Одним из эффективных направлений по выводу металлургии из кризиса может стать более широкое внедрение процессов производства металлозаготовок способами непрерывной разливки, совмещенными с агрегатами пластического формоизменения. Промышленное освоение таких процессов уже привело к кардинальному пересмотру всей цепочки технологии как по выплавке металла, так и при последующей переработке его способами пластического формоизменения.

Опыт технически развитых стран показывает, что непрерывная разливка открывает большие возможности в совершенствовании технологических процессов профильной и листовой горячей прокатки ,особенно на стадии производства подката. По сравнению с традиционной технологией объединение непрерывной разливки и прокатки ведет к сокращению цикла производства, экономии энергии и исходных материалов, открывает пути к повышению уровня автоматизации и механизации работы оборудования, увеличению производительности и улучшению условий труда. Однако при этом одной из достаточно непростых технических задач становится обеспечение необходимого уровня качества литых заготовок для их последующей эффективной переработки на прокатных агрегатах.

Есть мнение ученых, что каждые 10-15 лет характеристики прочности и пластичности конструкционных стальных материалов

постепенно увеличиваются. Начиная с 1960 года показатели пластичности сталей остановились в росте, а показатели прочности возросли в 1,5-2 раза. Такая картина усложняет обработчикам задачу получения качественного проката, и прежде всего, без нарушения сплошности, обусловленной превышением допустимой степени накопленной деформации в процессе пластической обработки. Другими словами, возникает устойчивая необходимость учитывать все большее количество факторов, влияющих на получение готовой продукции, при теоретическом обосновании технологии. Повышение качества проката в процессе последующей горячей пластической деформации возможно, если будут обеспечены условия полной проработки литой структуры для достижения изотропности свойств готовых изделий. Одним из основных приемов решения задачи качества является создание оптимальных термомеханических параметров процесса для максимального использования природных деформационных свойств стали, а также реализация более совершенных схем напряженно-деформированного состояния (НДС) металла при формоизменении. Определение характеристик НДС расчетным или расчетно-экспериментальным путем по очагу деформации позволяет применять для количественной оценки пов-режденности металла макродефектами современные модели прогнозирования .

Как известно, качество литого металла определяется его технологическими свойствами, в число которых входят такие показатели, как пластичность и сопротивление деформации. В настоящее время относительно подробно исследованы свойства металлических сплавов при температурах деформирования, не превышающих 1000 ±250°С, то есть характерных для традиционных процес-

сов обработки металлов давлением. Количество же работ по изучению физико-механических свойств стали при термо-механических параметрах., соответствующих условиям непрерывного литья., совмещенного с процессами пластического формоизменения, то есть при подсолидусных температурах, является ограниченным. В некоторых случаях результаты описываемых экспериментов носят достаточно противоречивый характер. Все это позволяет считать проблему изучения деформационных свойств металлических сплавов в области предплавильных температур актуальной, поскольку без знания данных характеристик последующее выполнение работ, связанных с математическим и физическим моделированием перспективных совмещенных процессов разливки и прокатки стали, а также с выработкой практических мероприятий по освоению таких технологий, становится весьма затруднительным.

Постановка цели и задач исследования.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы деформируемости непрерывнолитых сталей в приложении к.развитию перспективного технологического процесса производства полуфабрикатов способом непрерывной разливки, совмещенной с пластическим формоизменением литых заготовок, обеспечивающих экономичное получение металлоизделий требуемого уровня качества.

Автор считает, что наряду с применением больших обжатий при горячей прокатке одним из эффективных способов управления качеством металлоизделий в совмещенных процессах разливки и пластического формоизменения металла является предварительное деформирование заготовок в двухфазном состоянии малыми обжатиями во время затвердевания. Простейшим способом предварительного деформирования литого металла является прокатка пос-

тупающих из кристаллизатора заготовок в специализированном блоке, оснащенном, например, горизонтальными и вертикальными гладкими,либо профильными валками.

Автор работы полагает, что при обжатии металла в процессе прокатки рациональные технологические режимы деформации могут быть установлены наиболее достоверно лишь на базе применения экспериментально-расчетного аппарата механики обработки металлов давлением. Учитывая, что главная особенность металла в совмещенных процессах состоит в. том, что литая заготовка имеет в очаге деформации одновременно зоны с низкой и высокой технологической деформируемостью металла, в данной работе ставится задача применить при оценке качества проката феноменологическую теорию разрушения, разрабатываемую Уральской школой исследователей под руководством члена-корреспондента Российской академии наук, проф. В.Л. Колмогорова.

В диссертации был поставлен следующий перечень задач, направленных на совершенствование прокатки непрерывнолитых стальных заготовок:

1. Изучить закономерности изменения деформационных характеристик углеродистых сталей при предплавильных температурах.

2. Разработать методику испытаний при подсолидусных температурах для определения сопротивления деформации.

3. Путем экспериментально-расчетного моделирования исследовать напряженно-деформированное состояние на свободной поверхности квадратных заготовок при прокатке в гладких валках. Разработать программу для ЭВМ, позволяющую анализировать режим обжатий квадратных заготовок в черновых проходах с прогнозом качества поверхности металла.

4. На базе установленных закономерностей поведения показателей деформируемости стали с привлечением современного расчетного аппарата проектирования калибровки валков и промышленных экспериментов установить эффективные управляющие воздействия на технологию горячей прокатки непрерывнолитой сортовой заготовки на чистовом непрерывном стане и разработать мероприятия по совершенствованию режимов деформации в клетях стана с целью снижения энергозатрат, повышения производительности и качества продукции.

Научная новизна работы: -установлены закономерности реологического поведения литых сталей при предплавильных температурах в широком диапазоне скоростей деформаций; -получена математическая модель влияния параметров прокатки высоких полос в гладких валках обжимного стана на распределение характеристик НДС по боковой поверхности деформируемого металла; -установлены закономерности изменения макроструктуры и плотности литой заготовки в процессе ее прокатки в клетях непрерывного мелкосортно-проволочного стана,

Практическая значимость работы: -созданы экспериментальные установки для высокотемпературных механических испытаний материалов; -разработаны методики пластометрических испытаний на сжатие и кручение при подсолидусных температурах; -получены экспериментальные данные по деформируемости сталей шести марок при подсолидусных температурах; -разработан алгоритм и программа для ЭВМ расчета и анализа режимов деформации по проходам на обжимном стане с учетом ограничений по ресурсу пластичности прокатываемых сталей,; -разработаны технические рекомендации по режимам деформации литой стали на непрерывном стане 320/150.

На защиту выносятся следующие положения: - методики для пластометрических испытаний на осадку и кручение при подсоли-дусных температурах; - результаты экспериментальных исследований высокотемпературного сопротивления деформации шести марок сталей; - результаты экспериментальных исследований высокотемпературной пластичности непрерывнолитой низкоуглеродистой стали в контакте с расплавами цветных металлов; - математическая модель влияния параметров прокатки высоких полос в гладких валках обжимного стана на распределение характеристик НДС по боковой поверхности деформируемого металла; - результаты исследования закономерностей трансформации структуры непрерывно-литой сортовой заготовки в процессе ее горячей прокатки в клетях непрерывного мелкосортно-проволочного стана; - режимы деформации литой сортовой заготовки на непрерывном мелкосортно- проволочном стане.

Реализация результатов работы. Данные по исследованию механических свойств низкоуглеродистых сталей использованы при проектировании машин непрерывного литья на АО "Уралмашзавод".

Разработаны и внедрены технологические режимы деформации непрерывнолитого металла на мелкосортно-проволочном стане ми-низавода А0"Амурсталь". Долевой экономический эффект автора от внедрения новой калибровки валков на этом стане составил (в ценах 1989 года) 31тыс. руб.

Программа анализа калибровки валков обжимного стана рекомендована в качестве примера решения технологических задач ОМД на ЭВМ в учебном пособии для вузов страны.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 5-ти научно-технических конференциях: Все-

союзная конференция "Современные проблемы повышения качества" (Донецк, 1978); 3-я Всесоюзная конференция "Теоретические проблемы прокатного производства" (Днепропетровск, 1980); Всесоюзная конференция "Проблемы прочности, надежности и живучести элементов конструкций машиностроительной промышленности" (Петропавловск, 1985); 4-я Всесоюзная конференция "Теоретические проблемы прокатного производства" (Днепропетровск, 1988); Всесоюзная конференция "Производство сортового проката из неп-рерывнолитой заготовки" (Харьков, 1990);

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы ИМАШ УРО РАН " Создание системы прогнозирования и контроля ресурса прочности деталей на основе математического моделирования и использования средств неразрушающего контроля" N г.р. 01.960.009411, 1996-2000 гг. и хоз. договорной темы отраслевой лаборатории автоматизированного проектирования калибровок валков сортовых станов Минчермета СССР при кафедре 0Щ УГТУ -УПИ "Разработка калибровок валков и оптимальных режимов прокатки сортовых профилей на мелкосортном стане 320/150 завода Амурс-таль" N г.р. 057/11-03-786, 1987-1989 гг.

Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе сделан краткий литературный обзор основных тенденций развития технологии разливки и прокатки заготовок. Сформулированы задачи исследования. Во второй главе нашли отражений вопросы разработки методики механических испытаний металлов в диапазоне температур 1100 -1450°С. Также представлены для ряда сталей результаты экспериментального изучения закономерностей высокотемпературного механического поведения: сопротивление деформации, пластичность металла и температурный коэффициент линейно-

- гг -

то расширения. Третья глава посвящена обоснованию выбора режимов деформации литых заготовок, склонных к образованию при прокатке поверхностных дефектов. С помощью активного лабораторного эксперимента по моделированию прокатки квадратных заготовок в гладких валках получены зависимости для расчетов характеристик формоизменения и напряженно-деформированного состояния на боковой грани раската. Кратко представлена схема алгоритма программы расчета режимов обжатий заготовок для персонального компьютера. В четвертой главе приведены данные по промышленным и лабораторным исследованиям прокатки сортовой квадратной заготовки с дефектами структуры и сплошности в вытяжных калибрах на мелкосортно -проволочном стане мини-завода Амурсталь. На ЭВМ, с помощью известной программы "Анализ", предназначенной для моделирования режимов прокатки на сортовых станах, а также с привлечением полученных данных по деформационным характеристикам прокатываемых сталей, разработаны мероприятия по совершенствованию калибровки валков этого стана. В заключении диссертации сформулированы основные выводы по работе. В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение результатов данной работы на производстве.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в монографии и 18 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Полный объем 225 страниц, в том числе 45 рисунков, 19 таблиц. Список используемой литературы содержит 211 наименований