автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Научные основы, методы расчетов и совершенствование процессов прокатки профилей в двух- и многоваликовых калибрах



ВНЙИМЕТМАШ имени А. И. ЦЕЛИКОВА

На правах рукописи

Кандидат технических наук Кривенцов Александр Михайлович

■■■■'.м-му;: Г' • : 1 ' - '

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ, МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОКАТКИ ПРОФИЛЕЙ В ДВУХ- И МНОГОВАЛКОВЫХ КАЛИБРАХ

Лттлттл иг «лпт-ь ОС -1 (X ОС — ЛЛлзЛлттм

х^исцмалиНии х ¿> хО. ии чл^рш^ихгмя

металлов давлением

I»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Мэсква-1993

♦

*

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................'............. S

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ,ПУТИ И СРЕДСТВА ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1.Современные тенденции развития процессов прокатки

1.2.Анализ методов расчета параметров прокатки

в калибрах с двух- и многосторонним обжатиями________16

1.3. Постановка задачи и пути ее решения............................28

1.4. Разработка обшей основы для определения параметров прокатки с двух- и многосторонним обжатиями... 31

1. 5. Разработка метода конечных элементов (мкэ-сип)... 60

Выводы........................................... 62

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ УШИРЕНИЯ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ В ГЛАДКИХ ВАЛКАХ

2.1. Развитие теорий расчета уширения при прокатке и выявление основных факторов,определяющих

его величину..................................... 64

' 2.2.Вывод уравнений для расчета максимального уширения и начальной критической ширины............... 69

2. 3. Зависимость уширения от ширины полосы............ 77

2.4.Разработка метода определения влияния натяжения и вывод расчетных

2.5. Влияние прокатываемого материала на уширение при

прокатке черных и цветных металлов............... 85

Выводы........................................... 92

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ УШИРЕНИЯ ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ В ГЛАДКИХ ВАЛКАХ

3.1. Анализ исследований и выявление основных факторов, определяющих величину уширения при холодной прокатке..................................... 93

3.2.Вывод расчетных зависимостей и их экспериментальная проверка................................. 100

3.3. Графо-аналитический метод расчета длины дуги

захвата сплюшзнного валка........................ 106

Выводы........................................... 112

4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПРОКАТКЕ В КАЛИБРАХ

т *

и

4.1. Методы расчета уширения при прокатке в калибрах.. 113

4.2. Влияние формы калибра и заготовки на уширение____ 116

4. 3. Расчет вытяжных систем калибров.................. 121

г 4. 4. Уширение в многовалковых калибрах................ 131

4.5. Анализ полученных и известных уравнений.......... 132

Выводы........................................... 140

5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕРАВНОМЕРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

5.1. Состояние вопроса................................ 141

5.2.Обвдой метод расчета уширения при неравномерной

деформации по высоте............................. 141

Ф 5.3. Вывод уравнений для расчета поперечной деформации

при прокатке выпуклых и вогнутых профилей........ 143

5. 4. Разработка метода расчета и вывод зависимостей

для определения неравномерной деформации широких полос в вертикальных валках...................... 146

5.5. Разработка метода расчета и вывод формул для определения уширения при прокатке полосы двутаврового сечения в гладких валках.................... 153

5.6. Экспериментальные исследования неравномерной деформации и проверка основных расчетных зависимостей.....................................*........ 157

5.7. Распределение обжатий по валкам в несимметричных

• процессах прокатки............................... 161

Выводы........................................... 164

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПОЛОСЫ ПРИ ПРОКАТКЕ

6.1.Серповидность и влияние ее на процесс прокатки... 168

6.2. Разработка методики расчета серповидности........ 170

6. 3. Экспериментальная проверка основных расчетных

зависимостей..................................... 177

6. 4. Методика расчета разнотолщинности и разноширин-

ности в калибрах................................. 178

Выводы........................................... 188

7. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОСШЮВЫХ ПАРАМЕТРОВ

7.1. Влияние формы калибра и заготовки на усилие прокатки ........................................... 190

7.2. Влияние ширины полосы на контактное давление..... 195

7.3. Влияние натяжения на усилие прокатки............. 201

7.4. Определение продольных усилий прокатки........... 205

7.5. Скорость деформации при прокатке профилей........ 211

7. 6. Влияние формы калибра,уширения,упрочнения,натяже-

ния и высоты полосы на момент прокатки........... 215

7.7. Определение силовых параметров на основе новых критериев........................................ 219

7.8. Коэффициент трения при горячей,холодной и теплой

прокатке......................................... 240

Выводы........................................... 247

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОФИЛЯ ВАЛКА И ОПЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПРОДОЛЬНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПРОКАТКЕ

8.1.Определение продольных элементов профиля валка... 250

8.2. Опережение при прокатке.......................... 255

Выводы........................................... 262

9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

9.1. Разработка и освоение процессов прокатки сортовых профилей из углеродистых сталей.................. 265

9.2. Разработка и освоение процессов прокатки сортовых профилей из легированных и высоколегированных сталей........................................... 267

9.3. Разработка способа производства, исследование

и освоение процессов прокатки клиновидных фасон-

иых

9.4.Разработка способа производства, исследование и освоение процессов продольной периодической прокатки................................,........... 282

9.4.1. Типы профилей, их назначение и способы производства. ............................................ 282

9.4.2. Определение продольных и поперечных параметров валков.........................................................288

9.4.3. Прокатка и испытание фасонных профилей в промышленных условиях............................. 292

9. 4. 4. Разработка,исследование и освоение промышленных

процессов продольной периодической прокатки.... 294

9.5. Определение параметров горячего калибрования..... 298

9. 6. Совершенствование калибровки и процесса непрерывной прокатки на стане ЛПА-АК-8 Таджикского алюми-

НИ6В0Г0 ЗЗВОДВа тлллА*ллллл*Л4**»а 305

9. б. 1. Характеристика прокатного стана и существующей

калибровки валков.............................. 305

9. б. 2. Совершенствование калибровки валков и процесса

непрерывной прокатки........................... 307

9. б. 3. Освоение усовершенствованной калибровки валков

и режима деформации............................ 311

Выводы......................................... 313

10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ХОЛОДНОЙ И ТЕПЛОЙ ПРОКАТКИ

10.1. Разработка режимов деформации прямоугольных и

трапецеидальных шин из меди и ее сплавов........ 316

10.1.1. Назначение и области использования профилей... 316

10.1.2. Влияние механических свойств и химсостава трапецеидальных полос на качество коллектора.. 318

10.1.3. Условия поставки коллекторных шин..........................319

10.1.14.Характеристика оборудования пятиклетевого

стана 350.....................................322

10.1.5. Технологический процесс прокатки...............326

10.1.6. Эффективность комбинированного процесса производства высокоточных коллекторов............................328

ги. 1. I . а ао^аиииЧа МЬ1 иДдеии ра^ чс а а п рсЛигШиг) оидка! 1Ал. оои

10.1.8. Исследование качества освоенных профилей............338

10.1.9.Исследование энергосиловых параметров прокатки 345

10.2. Разработка процессов холодного калибрования шестигранной стали и определение технологических требований к прокатному оборудованию................354

10. 2.1. Калибрование шестигранной стали размерами 11-

30 мм.................................................................................354

10.2.1.1. Требования к качеству готовой продукции..........354

10.2.1. 2. Определение диаметра валков..................................355

10. 2.1.3. Режимы обжатия............................................................358

10. 2.1. 4. Энергосиловые параметры..........................................358

10. 2.1.5. Состав основного оборудования и технологические требования предъявляемые к нему...........362

10.2.1.6. Технология холодного калибрования......................366

10. 2.1.7. Характеристика стана 320 холодной прокатки

шестигранной стали....................................................366

10.2.2.Калибрование шестигранной стали размерами

32-63 мм....................................................................370

10.3. Определение параметров холодной и теплой прокатки малых сечений профилей из высоколегированных сталей.....................................................374

10.3.1. Анализ способов обработки............................374

10.3.2. Выбор системы калибров и разработка режимов

деформации.................................... 363

Выводы....................................... 366

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.................... 382

ЛИТЕРАТУРА............................................. 384

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. Вариант вывода зависимостей для определения ушире-

ния,............................................... 404

2. Таблица характеристик сравнения опытных и расчетных данных............................................. 411

3. Расчетный блок программы мкэ-сип................... 412

**. ши О ¿.'И.!. М Л \JdsL, Чс 1ПЬШ ишп и^А/! роиммЫ лЬшшиоаю

вытяжные калибры".................................. 415

5. Алгоритм и расчетный блок программы "Многовалковые вытяжные калибры".................................. 419

6. Алгоритм и расчетный блок программы "Параметры прокатки".......................................... 426

7. Документация по освоенным процессам................ 431

8. Степень участия автора в работах ВНИИметмаш.........451

9. Различные расчетные данные..........................453

Введение

Прокат в современных условиях продолжает оставаться основным конструкционным материалом и в значительной мере определять технический прогресс общества. Главными направлениями развития прокатного производства являются совершенствование структуры сортамента проката,улучшение его качества и увеличение объема дефицитной продукции.

Рассматриваемая работа направлена на решение этих задач путем создания и внедрения новых эффективных процессов и оборудования.

Сортопрокатное производство развивается в настоящее время по двум основным направлениям-созданию процессов большой и малой производительности,причем последнее направление приобретает все большую актуальность. Современные технологии включают, как правило, продольную,винтовую и планетарную прокатки в едином технологическом цикле,характеризуются одновременным использованием двух-и многостороннего обжатия,высокой и малой интенсивностью деформации. Такие процессы являются менее изученными и имеют индивидуальную основу определения параметров процессов и оборудования в связи с чем в рассматриваемой работе поставлена задача создания единой основы для совершенствования различных процессов прокатки и выравнивания их уровня познаний. Эта проблема была и остается актуальной для всех процессов обработки металлов давлением,

В результате проведенных исследований в работе найдена такая основа-метод среднеинтегральной полосы,который в сравнении с известными решениями является наиболее универсальным и точным.

Универсальность его достигнута за счет использования более общих характеристик-площадей и периметра,точность за счет

более полного учета фактических условий деформации в очаге деформации.

Параметры прокатки определяются абсолютными и относительными характеристиками,из которых наибольшую ценность имеют последние,т, к. они сокращают число переменных. Современная теория прокатки базируется на критериях,представляющих собой соотношения одномерных величин. В работе (глава 1) найдены безразмерные комплексы,представляющие собой соотношения двумерных характеристик (пловддей). Они точнее и определеннее характеризуют процессы продольной, поперечной и винтовой прокатки всевозможных профилей в любых калибрах двух и многовалковых станов, позволяют разрабатывать единые методики расчета разных процессов, распространяют результаты теоретического и экспериментального исследования одного процесса на другой и тем самым взаимно выравнивают уровни их познаний,а также расширяют области использования ранее полученных уравнений. Предлагаемые соотношения применимы не только к различным видам прокатки,но и другим процессам ОМД,где деформация осуществляется поверхностями, что способствует развитию теории в других областях и обмену достижениями между ними. Наиболее эффективны критерии в сложных условиях деформации. В целом они углубляют изучение процессов и способствуют развитию теории прокатки.

Среднеинтегральная полоса и полученные критерии использованы при разработке метода конечных элементов.

Таким образом создана единая эффективная основа для исследования и определения (главы 2-8) параметров двух- и многовалковой прокатки. При решении этих задач найдены также другие рациональные решения, содержащие научную новизну:

-в общем виде оценено влияние формы калибра и заготовки на уширение и момент прокатки,опережение,разнотолщинноеть,раз-ноширинность и еерповидность;

-поперечная деформация найдена в функции зоны уширения,а не опережения;

-установлено влияние материала полосы на уширение при теплой прокатке черных и цветных металлов;

-определено влияние многовалкового калибра на уширение, силовые параметры и опережение;

-найдено влияние поперечной деформации и внешних зон на момент прокатки;

-для расчета коэффициента трения получены более совершенные критерии,которые позволили разработать единую методику его определения для черных и цветных металлов в условиях горячей, теплой и холодной деформации;

-установлены факторы,влияющие на разноширинность и разработан метод ее определения;

-найдено влияние исходной серповидноети на конечную ее величину и др.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики расчета уширения,усилия и момента прокатки,коэффициента трения,опережения,разнспгиркн-ности,серповидноети и другие,которые учитывают наибольшее количество факторов,имеют более широкую область использования и являются более точными.

Созданные методики легли в основу разработки эффективных технологий горячей,теплой и холодной прокатки сортовых и фасонных профилей с большими,средними и малыми обжатиями постоянного и переменного сечений из черных и цветных металлов Совершенствование процессов прокатки проводилось на электрометаллургическом заводе "Электросталь им. И. Ф, Тевося-на,металлургическом заводе им. А. К. Серова, Московском металлур-

T'T/T'Qfl^Aii ninnttq "Плпгт rjr Un *л(Т|" TTS^IP_irt n 11*r\v/ ТТГЛ nft-

i il4curwwtvi осшиДс L>epu ia mL/jiu i , нотспип. J рсышигьиМ оосидс iiU UU

работке цветных металлов,Донецком металлургическом заводе,

Санк-Петербургском заводе турбинных лопаток,Таджикском алюминиевом -заводе и др.

Параметры процессов кроме того использованы при создании и реконструкции соответствующего прокатного оборудования.

На защиту выносятся:

1. Метод среднеинтегральной полосы,являющийся единой основой для совершенствования процессов прокатки профилей в двух-и многовалковых калибрах.

2. Новые критерии оценки параметров прокатки,представляющее собой соотношения двумерных величин.

3. Модифицированный метод конечных элементов.

4. Методы расчетов параметров прокатки профилей ,характеризующие высотную, продольную и поперечную деформации.

5. Процессы горячей и холодной прокатки сортовых профилей.

Доля годового экономического эффекта в народном хозяйстве

от освоенных разработок по состоянию на 1990 г. составила свыше 1 млн. рублей.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ, ПУТИ И СРЕДСТВА ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1. Современные тенденции развития процессов прокатки

профилей

Современные технологии прокатки профилей развиваются по двум главным направлениям: создаются процессы для большого и малого объемов производства. Причем последние технологии получают наибольшее распространение. Оба направления широко используют принцип непрерывности в получении литых заготовок и последующей их прокатки,преследуют цели обеспечения высокого качества продукции и рентабельности производства. Другой особенностью современных технологий является использование в едином цикле разных процессов прокатки и даже других способов ОВД, при этом все большее распространение получает многосторонняя деформация обрабатываемого материала. Эти тенденции характерны для обеих направлений ,но наиболее ярко они выражены в технологиях для малого объема производства.

Многосторонняя деформация используется для получения сортовых и фасонных профилей и первые сведения об ее признании относятся к середине прошлого века. В 1854 г. во Франции фирмой "Tranton Iron Со" был создан стан универсального типа и прокатана балка высотой 178 мм.

Прокатка-волочение тавровых профилей переменного сечения с применением трех- и четырехвалковых калибров разработана и осуществлена в 1947 г. А. И. Целиковым, 3. Р. Шзром,Е. С. Рокотя-ном, А. Е. Гуревичем и В. А. Кругликовым.

Л М. Павлов предложил деформировать профили прямоугольного или квадратного сечений из малопластичных материалов в устройстве с четыре хвалковым калибром.

В 1954 г. начаты работы по применению многовалковых калиб-

ров в Магнитогорском горно-металлургическом институте. На основе этих работ были предложены различные по форме многовалковые »обладающие высокими степенями всесторонней деформации и исключающие при этом переполнение калибров,что позволило рекомендовать ряд оригинальных направлений в применении трех- и четырехвалковых калибров при ОМД,в частности замену ковки труднодеформируемых сталей и сплавов прокаткой ,получение калиброванной стали только прокаткой без волочения»получе�