автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Оптимизация продольного профиля валков стана планетарно-винтовой прокатки

ВВЕДЕНИЕ .-.j.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПЛАНЕТАРНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

1.1. Анализ способов деформации с высокими обжатиями

1.2. Обзор исследований процесса планетарно-винтовой прокатки

1.3. Выводы по главе и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ЗОНЫ ДЕФОРМАЦИИ СТАНА ПЛАНЕТАРНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ . . . . . . . .'

2.1. Основные параметры и зависимости процесса планетарно-винтовой прокатки

2.2. Определение частных радиальных обжатий по длине зоны деформации при прокатке валком с прямолинейным продольным профилем.

2.3. Разработка методики определения продольного профиля зоны деформации.'.

2.3.1. Определение продольного профиля зоны деформации для любого заданного закона распределения частных радиальных обжатий.

2.3.2. Определение продольного профиля зоны деформации. отвечающего заданному продольному профилю п ~ ' по ьсима. (

2.4. Выводы по главе .'.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОГО

ПРОФИЛЯ ВАЛКОВ СТАНА ПЛАНЕТАРНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ.

3.1. Определение продольного-профиля валка, отвечающего заданному продольному профилю зоны деформации . 89*

3.2. Определение продольного профиля валка, отвечающего условию минимального контактного скольжения о. Я. Определение продольного профиля обжимного к.о~ нусп валка, отвечающего продольному профилю зоны деформации с прямолинейной образующей с.4. Определение продольного профиля обжимного конуса валка, отвечающего условию постоянства частных радиальных обжатий.

3.5. Оптимизация продольного профиля обжимного конуса валка . Iii

8.G. Определение продольного профиля калибрующего конуса валка.

3.7. Выводы по главе . Но

ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ИНСТРУМЕНТА ПЛАНЕТАРНО-БИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

4.1. Построение и анализ оптимального продольного профиля валка.

4.2. Определение частных радиальных обжатий по длине зоны деформации при прокатке валком с оптимальным продольным профилем

4.3. Сравнительный ангглиз распределения частных радиальных обжатий по длине зоны деформации валками с прямолинейным и оптимальным продольными профилями обжимного конуса

4.4. Выводы по главе . 1з

4.5. Технологические рекомендации

Разнообразные конструкции прокатных станов создавались, главным образом, с учетом требований повышения производительности, увеличения сортамента и рационализации технологических качественных показателей.

Сооружение прокатных станов связано с большими капитальными затратами, поэтому для обеспечения экономичности производства, особенно в жестких условиях рыночных отношений, необходимо добиваться высокой степени их использования. При этом возникает противоречие в отношении сроков выполнения заказов и размеров партии. В связи с этим целесообразно, наряду с обычными прокатными процессами, разрабатывать специальные способы деформации, обеспечивающие пропорциональность между капитальными затратами и производительностью, а также возможность приведения в соответствие размеров партий с перспективным развитием производства в условиях рынка.

Так, обычная технология производства прутковой стали предусматривает большое число операций обработки. Сталь разливают в слитки, которые прокатывают на блюминге, а затем - на многоклетьевых заготовочных и сортовых станах. Такая технология весьма трудоемка и связана с большими материальными затратами. Для снижения этих затрат в последние годы предложено несколько способов деформации, из которых особое внимание заслуживает деформация с высокими обжатиями, когда в одном агрегате достигается значительно большее обжатие, чем в обычных прокатных клетях. Если исходить из того, что при обычной прокатке в калибрах, даже при весьма эффективной системе калибровки валков "круг -овал - квадрат" коэффициент вытяжки достигает 2,4, то деформацию с высокими обжатиями можно назвать в том случае, если коэффициент вытяжки на одном агрегате превысит значение 2,5 11,21.

Другой особенностью деформации с высокими обжатиями является уплотнение структуры, достигаемое благодаря применению специального инструмента и специальной технологии деформации, что имеет чрезвычайно важное значение, особенно при переработке непрерывнолитых заготовок в потоке.

Среди агрегатов для деформации с высокими обжатиями, различными по формам и видам движения их рабочих органов, наиболее эффективны планетарные косовалковые станы. С момента запуска в эксплуатацию в 1962 г. в ФРГ в течение многих лет планетарные станы показали высокую экономическую целесообразность [3].

При планетарной прокатке суммарная степень деформации достигает

90.98 % за один проход. Для получения такой степени деформации при обычной прокатке требуется не менее десяти пропусков. Поэтому применение планетарной прокатки вместо обычной приводит к сокращению количества оборудования и к уменьшению занимаемых им производственных площадей.

Серьезным преимуществом планетарно-винтовой прокатки является отсутствие вращения прокатываемой заготовки. Исходная заготовка и прокат по выходе из валков имеют только поступательное осевое движение и скорость этого движения постоянна.

Отсутствие вращения прокатываемого металла и постоянство его осевой скорости позволяют совместить станы планетарно-винтовой прокатки, с одной стороны, с непрерывной разливкой стали, с другой - с непрерывной продольной прокаткой. В результате достигается высокий выход годного, существенное сокращение расхода энергии, снижение капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Для создания совмещенных процессов "непрерывная разливка - прокатка" планетарные станы весьма выгодны, так как скорость входа заготовки в планетарный стан соответствует скорости выхода слитка из кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок. В то же время при малой массе и небольшой занимаемой производственной площади планетарные станы обеспечивают получение обжатий, сопоставимых с суммарными обжатиями на непрерывных станах.

Кроме того, ввиду невысокой скорости выхода проката из планетарного стана появляется возможность совмещения последнего в одном технологическом потоке с различными непрерывными отделочными линиями: травления, нанесения покрытий и т.п.

В планетарном стане каждый валок находится в контакте с горячим металлом не более 5.7 % общего времени, в остальное время он интенсивно охлаждается водой при вращении по орбите. В результате достигается высокая стойкость валков и высокое качество поверхности проката.

Использование планетарно-винтовой прокатки открывает возможность получения особо тонкостенных горячекатанных труб с чрезвычайно высокой точностью размеров по толщине стенки.

Однако при деформации с высокими обжатиями коническими валками с прямолинейным профилем наблюдается крайне неравномерное распределение частных обжатий по длине зоны деформации: они относительно малы в начале очага деформации и очень велики в конце, что создает большие контактные напряжения на выходном участке рабочих валков и сдерживает дальнейшее увеличение обжатий за один проход.

Процесс планетарно-винтовой прокатки является не только новым, но и весьма сложным. В этой связи необходимо отметить,' что его теория, в целом, находится в начальной стадии своего развития. Имеющиеся в технической литературе результаты теоретических исследований процесса планетарно-винтовой прокатки весьма ограничены. Они посвящены, в основном, ориентировочному расчету напряжений и частных обжатий в очаге деформации. Сведения о теоретических исследованиях геометрических параметров очага деформации и оптимизации продольного профиля валков планетарного стана в известной литературе не приводятся.

Поэтому настоящая работа, посвященная вопросам исследования геометрических параметров очага деформации и оптимизации продольного профиля валков станов планетарно-винтовой прокатки, имеет большой практический интерес и представляется весьма актуальной.

В данной работе применительно к процессу планетарно-винтовой прокатки впервые применен принцип определения частных радиальных обжатий заготовки в любом сечении зоны деформации, сформулированный в трудах [4,5]. Это дало возможность показать истинное распределение частных обжатий по длине зоны деформации при использовании валков с прямолинейной образующей профиля.

С применением переходных систем координат разработана методика определения продольного профиля зоны деформации для любого наперед заданного закона распределения частных обжатий и профиля валка.

Обоснованы критерии оптимизации и найден продольный профиль валка, обеспечивающий минимальное скольжение на контактной поверхности, условия постоянства частных обжатий по длине зоны деформации и осевого захвата металла.

Проведенные исследования позволили вскрыть недостатки применяемого в настоящее время валка с прямолинейной образующей профиля, приводящего к крайне неравномерному распределению частных обжатий по длине зоны деформации.

Разработанный алгоритм расчета и прикладные программы для ЭВМ позволили построить оптимальный профиль валка при различных значениях параметров процесса прокатки как трубных заготовок, так и сортового металла.

Найденный оптимальный профиль валка обеспечивает рациональное распределение частных обжатий по длине зоны деформации, что дает возможность значительно увеличить обжатия за один проход, повысить точность размеров и улучшить структуру готового проката.

Диссертационная работа содержит четыре главы и приложения.

В первой главе, являющейся обзорной, проведен краткий анализ существующих способов деформации с высокими обжатиями и освещено современное состояние экспериментальных исследований и теоретических разработок в области процесса планетарно-винтовой прокатки. На основании выводов по этой главе определены задачи настоящего исследования.

Во второй главе проведено теоретическое исследование профиля зоны деформации стана планетарно-винтовой прокатки, в частности, установлен истинный режим распределения частных радиальных обжатий по длине зоны деформации на существующих станах для . случаев прокатки трубных заготовок и сортового металла; разработана методика определения продольного профиля зоны деформации для любого наперед заданного закона распределения частных радиальных обжатий и профиля валка.

Третья глава посвящена исследованию продольного профиля валков планетарно-винтовых станов. Обоснованы критерии оптимизации, разработан алгоритм расчета профиля валка и его параметров, найден продольный профиль валка, обеспечивающий рациональное распределение частных обжатий по длине зоны деформации.

В четвертой главе дан сравнительный анализ результатов исследований зоны -деформации и продольного профиля валка стана планетарно-винтовой прокатки с результатами решения аналогичных задач, полученных при исследовании процессов поперечно-винтовой и поперечно-клиновой прокатки. Изложены технологические рекомендации по применению инструмента планетарно-винтовой прокатки.

Приложения содержат полный пакет прикладных программ на языке PASCAL для ПЭВМ по всем разделам диссертационной работы, а также сведенные в таблицы результаты проведенных расчетов.

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1. Расчетные формулы для определения частных радиальных обжатий заготовки в любом сечении зоны деформации при использовании валков с в прямолинейным и оптимальным профилями.

2. Разработанная методика определения продольного профиля зоны деформации для любого заданного закона распределения частных радиальных обжатий.

3. Расчетные зависимости для определения продольного профиля зоны деформации, отвечающего наперед заданному продольному профилю валка.

4. Расчетные зависимости для определения продольного профиля валка., отвечающего наперед заданному продольному профилю зоны деформации.

5. Расчетные формулы для определения продольного профиля валка, отвечающего условию минимального контактного скольжения.

6. Расчетные формулы для определения продольного профиля валка, отвечающего продольному профилю зоны деформации с прямолинейной образующей.

7. Расчетные формулы для определения продольного профиля валка, отвечающего условию постоянства частных радиальных обжатий по длине зоны деформации.

8. Расчетные формулы для определения продольного профиля калибрующего конуса валка. •

9. Разработанная методика и расчетные формулы для оптимизации продольного профиля валка.

10. Результаты анализа применения существующего продольного профиля валков с прямолинейной образующей и нового оптимального продольного профиля валков для.случаев прокатки трубных заготовок и сортового металла.

11. Технологические рекомендации по применению инструмента плане-тарно-в интовой прокатки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Использование известного принципа определения частных радиальных обжатий прокатываемой заготовки., основанного на. условии постоянства секундных объемов в любом сечении зоны деформации, позволило впервые применительно к планетарно-винтовой прокатке найти закон распределения частных обжатий по длине зоны деформации.

2. Найден закон распределения частных радиальных обжатий по длине зоны деформации при планетарно-винтовой прокатке, позволивший установить крайне неравномерное распределение обжатий при использовании широко применяемых в настоящее время валков с прямолинейной образующей продольного Профиля.

3. Установлено, что при планетарно-винтовой прокатке валками с прямолинейным продольным профилем частные обжатия достигают пиковых значений в конце зоны обжатия, превышая значение абсолютного обжатия в конце первого участка в 7 раз, относительного - в 46 раз при прокатке трубных заготовок и, соответственно, в 2 и 2,5 раза при прокатке круглого сортового металла.

4. Установлено, что при планетарно-винтовой прокатке валками с прямолинейной образующей продольного профиля неравномерность распределения относительных обжатий выражена более резко, чем абсолютных, особенно при прокатке трубных заготовок.

5. Установлено, что при использовании общих методов и подходов, описанных П.К.Тетериным применительно к поперечно-винтовой прокатке, характер распределения частных обжатий по длине зоны деформации при планетарно-винтовой прокатке инструментом с прямолинейным продольным профилем аналогичен таковым, полученным П.К.Тетериным для случая прокатки на планетарном стане Сендзимира и А. М.Рыклиным и Г.П.Тетериным при поперечно-клиновой прокатке.

6. Разработанная методика для определения продольного профиля зоны деформации позволяет рассчитывать продольный профиль для любого наперед заданного закона распределения частных радиальных обжатий по длине зоны деформации.

7. Использование переходных систем координат позволило найти расчетные зависимости, которые дают возможность определять продольный профиль зоны деформации, отвечающий любому наперед заданному продольному профилю валка с учетом условия минимального тангенциального геометрического скольжения в обжимаемой зоне раската.

3. Разработана методика, обосновывающая оптимизацию продольного профиля обжимного конуса валка.

9. Рекомендуемая к использованию методика расчета продольного профиля валков станов планетарно-винтовой прокатки даёт возможность удовлетворить условие постоянства частных радиальных обжатий, обеспечить условие осевого захвата заготовки валками и минимальное контактное скольжение.

10. Полученные расчетные формулы позволили определить оптимальный продольный профиль обжимного и калибрующего конусов валка.

11. Размеры и геометрия оптимального продольного профиля валка, отвечающего реальным условиям прокатки трубных заготовок и круглого сортового металла., в интервале изменения угла поворота валка относительно ведущей планетарной шестерни от 0 до 5° остаются практически неизменными. С увеличением угла поворота с 5е до 10е приращение радиуса валка в пережиме составляет: в случае прокатки трубных заготовок -10 %, при прокатке сортового металла - 2,6 %.

12. Учитывая, что угол раствора захватного участка валка должен быть минимальным с целью улучшения условий захвата, уменьшения осевого скольжения металла относительно валков и обеспечения более стабильного протекания процесса прокатки, прокатку следует вести при наибольшем угле поворота валка относительно ведущей планетарной шестерни (в исследуемом случае ф = 10").

1-3. С целью улучшения условий захвата металла валками следует увеличивать контактные силы трения и уменьшать отношение Xрадиуса раската к радиусу валка.

14. Учитывая, что качество проката улучшается с уменьшением угла раствора выходного конуса валка, процесс прокатки следует осуществлять при максимально возможном угле поворота валка относительно ведущей планетарной шестерни (в исследуемом случае ср = 10°), когда угол раствора выходного конуса валка наименьший как в случае прокатки трубной заготовки (44°), так и круглого сортового металла (40°).

15. Найдены расчетные формулы для определения частных радиальных обжатий. Кривые изменения частных обжатий позволили установить рациональный закон их распределения по длине зоны деформации при использовании валка с полученным оптимальным профилем.

16. В случае прокатки трубных заготовок валками с оптимальным продольным профилем наблюдается монотонный характер распределения как абсолютных, так и относительных частных радиальных обжатий по длине зоны деформации, причем в средней ее части имеет место постоянство величин обжатий, что обеспечивает более равномерный износ валков.

Б случае прокатки круглого сортового металла максимальные абсолютные радиальные обжатия почти втрое превышают таковые, полученные при прокатке трубных заготовок при тех же параметрах процесса. Относительные частные радиальные обжатия • при прокатке сортового металла втрое ниже таковых, полученных при прокатке трубных заготовок, и распределяются по длине зоны деформации более равномерно, что создает условия для исключения осевых деформаций.

Наиболее высокий аффект от использования валков с оптимальным продольным профилем достигается в случае прокатки трубных заготовок, когда максимальные абсолютные частные обжатия уменьшаются почти вдвое, а относительные - в 4 раза по сравнению с данными, полученными при планетарно-винтовой прокатке труб валками с прямолинейным продольным профилем при тех же параметрах процесса. В случае прокатки круглого сортового металла частные радиальные обжатия уменьшаются соответственно на 25 % и 30 %.

17. В результате сравнительного анализа применения существующего продольного профиля валков с прямолинейной образующей и нового оптимального продольного профиля валков для случаев прокатки трубных заготовок и круглого сортового металла установлено, что использование оптимального продольного профиля валков позволяет создать благоприятный режим распределения частных радиальных обжатий по длине зоны деформации. Это дает возможность значительно увеличить допустимое по ресурсу пластичности суммарное обжатие за один проход, повысить стойкость инструмента и качество проката.

18. Учитывая общность идей и методов, используемых при рационализации рабочего инструмента для поперечно-клиновой прокатки и оптимизации продольного профиля валка при планетарно-винтовой прокатке, проведенной в настоящей работе, на основании успешного внедрения А.М.Рыкли-ным и Г.П.Тетериным рабочего инструмента рационального профиля на заводских станах -поперечно-клиновой прокатки, позволивших существенно улучшить качество прокатанных заготовок и повысить стойкость рабочего инструмента, можно сделать заключение, что подобные результаты могут быть достигнуты и при использовании валков с предложенным оптимальным профилем на станах планетарно-винтовой прокатки.

19. Разработанный алгоритм расчета оптимального продольного профиля валка и его параметров, а также пакет прикладных программ для ПЭВМ рекомендуются для практического использования при профилировании валкоб производственных станов планетарно-винтовои прокатки и расчета технологических параметров процесса.

1. Köster F. Walzwerke j:ur Frot'il- und Stabstahl. Bel. 1 u. 2. Düsseldorf, 1971.

2. Weber R.B. Erzmetali, 1977, 30, s. 161-165.

3. Г. Кох, Р. Копп. Прогресс в области деформации с большими обжатиями. Черные металлы. 1979. N 21. с. 3-12.

4. Целиков А.И. йрошников А.Н. Сталь (специальный выпуск, посвященный вопросам трубного производства). М.: Металлургиз-дат, 1940.

5. Емельяненко П. Т. Теория косой и пшшгримовой прокатки. М. : Металлургиздат, 1949. - 274 с.

6. Biggar B.J. Broken Hill Prop,, tech. bull. 1976, Vol. 20, Nr. 1 (April), pp. 10-12.

7. Döring H. Stahl und Eisen, 1978, 98, s. 1391-1399.

8. Gruner P. Das Walzen von Hohlkörpern und das Kalibrieren von Werkzeugen zur Herstellung nahtloser Rohre. Beriin/Gottingen/ Heidelberg. 1959.

9. Zouhar G. Freiberg. Forsch.-H., Reiche В., 1960, N 52, s.8-201.

10. К. Рекалкати, К. Вентури, В. Ренш. Клеть с высокой степенью обжатий в непрерывном проволочном стане. Черные металлы. 1988. N 1. с. 26-32.

11. Т. Штебке, X. Гертнер. Прокатка бесшовных труб на планетарном косовалковом стане. Черные металлы. 1990. N 3.- с. 22-27.

12. Е. Bretschneider. Novel tube-rolling process using the 3-roll planetary mill (PSW). Iron and Steel Engineer. 1981, Vol. 58, pp. 51-54.

13. E. Bretschneider. New process for the production of seamless tubes. (PSW now also in the tube sector). MPT (Verlag Stahleisen). 1983, No. 6, pp. 44-50.

14. Исследование редуцирования труб с помощью планетарного роликового стана / Kinchi Manabu, Shintani Ken // Сэйсан кэнкю = Mon. J. inst. Ind. Sei. Univ. Tokyo.- 1991. 43, N 12.- с. 602-605. - Яп.

15. Получение холоднодеформированных труб путем редуцирования в планетарной клети поперечно-винтовой прокатки / Попов М.В., Ха-нин М.И., Казача Ю.И. и др. // Сталь.-1992. N 11.- с. 59-61. -Рус.

16. Тетерин II. К. Теория поперечно-винтовой прокатки. М. : Металлургия. 1971. - о08 с.

17. Тетерин П.К. Теория поперечной и винтовой прокатки. М. : Металлургия, 1983. - 270 с.

18. Тетерин П.К. Теория периодической прокатки. М.: Металлургия, 1978. - 256 с.

19. Рыклин A.M., Тетерин Г.П., Ромадин Ю.П. Профиль боковой деформирующей поверхности рабочего инструмента в станах поперечно-клиновой прокатки, Кузнечно-штамповочное производство, 1979, NIL.

20. Рыклин A.M., Тетерин Г.II. , Ромадин Ю.П. Совершенствование рабочего инструмента стана поперечно-клиновой прокатки. Кузнеч-но-штамповочное производство, 1980, N 9.