автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и внедрение мателлосберегающего технологического процесса прокатки крупносортных профилей из легированных сталей

Национальная Академия наук Украины Институт чёрной металлургии им. З.И. Некрасова

~ На правах рукописи

Кийко Геннадий Васильевич

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТАЛЛОСБЕРЕГАЮЩЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ КРУПНОСОРТНЫХ ПРОФИЛЕЙ ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1997

,4 5 ОД

? п ''

Работа выполнена на электрометаллургическом заводе «Днепроспецсталь» им. А.Н. Кузьмина и в Институте черной металлургии им.З.И.Некрасова Национальной Академии наук Украины

Научные руководители: Заслуженный деятель науки и техни-

ки Украины, доктор технических наук, профессор

Мазур B.JI. кандидат технических наук

Ноговицын A.B.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Комаров А.Н.

Лауреат Премии Совета Министров СССР, кандидат технических наук

Лохматов А.П.

Ведущее предприятие: Украинский Государственный научно-

исследовательский Институт специальных сталей, сплавов и ферросплавов

Защита диссертации состоится « ЗОъ .¿<иЯ 1997 г. [часов на заседании специализированного совета К.ОЗ.09.01 при Институте черной металлургии HAH Украины (320050, г. Днепропетровск, пл. Стародубова, 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Автореферат разослан «

// » Л /1/Qc/i ь-С 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Г.В. Левченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших задач развития промышленного потенциала Украины является укрепление ее экономической самостоятельности. Решение этой задачи лежит на пути освоения конкурентоспособной продукции, которая являлась бы таковой как по качеству, так и по затратам материалов, ресурсов и энергии на ее выпуск. В полной мере сказанное относится и к качественной металлургии, которой, в свою очередь, присущи ряд особенностей. К числу основных следует отнести многообразие марочного и профильного сортамента, трудности одновременного обеспечения множества показателей качества, дефицит легирующих элементов. Последнее определяет необходимость повышенного внимания к вопросам металлосбережения при осуществлении технологического процесса. Снижение пораженности деформированного металла поверхностными дефектами является одним из важнейших факторов повышения качества и эффективности производства не только в металлургии, но и в металлообрабатывающих отраслях промышленности. Потери металла в стружку и в брак, а также экономия металла за счет поставок проката по теоретической массе в определенной мере обусловлены степенью соответствия геометрических размеров проката заданным. Повышение точности легированного сортового проката во многом определяется уровнем механизации и автоматизации процесса прокатки на заготовочном стане, в частности, созданием и внедрением систем автоматического регулирования размеров проката (САРРП). В этой связи важное значение приобретает разработка методов анализа точности готовой продукции, по результатам которого можно определить эффективность работы системы, проверить правильность применяемых технических решений и моделей, заложенных в алгоритме управления, а также необходимость их корректировки. Автоматические системы управления технологическими процессами на строящихся и действующих прокатных станах требует развития надежных широкоохватных моделей процесса прокатки, отражающих взаимосвязь показателей качества и технологии.

Цель работы. На базе вновь полученных зависимостей разработать научно обоснованные технологические решения, направленные на экономию металла при прокатке крупносортных профилей из легированных сталей за счет внедрения математических моделей, алгоритмов и схем прокатки к автоматизированную систему регулирования размеров проката.

Научная новизна. На основе современных методов математического моделирования процессов пласпгческой деформации показано, что при 0,2 </„/ Ьср"^!,^ по высоте деформируемой полосы имеет место шестикратная неравномерность деформации, подтверждающая ограниченность использования гипотезы плоских сечений. Разработан метод прогнозирования параметров структуры аустенита при многопроходовой прокатке, в частности,.оценки наклепа аустенита в поверхностном слое раската как критерия снижения деформируемости металла. Показано, что для легированных сталей наклеп аустенита при го-

з

рячей прокатке начинается при 7"<1200 °С и £=0,3, для углеродистых - при Т — 1050 °С и £=0,3- Приведенные результаты подтверждены экспериментально.

Разработана и экспериментально проверена математическая модель, позволяющая определить усилия прокатки и межвалковый зазор в прокатной цепи при изменяющихся условиях деформации. Модель адаптирована к существующей системе автоматического регулирования размеров проката.

Разработан алгоритм расчета оптимальных схем прокатки в заготовочной клети стана 950, обеспечивающий повышение качества проката и снижение энергозатрат на его производство.

Практическая ценность. Разработан метод настройки прокатного стана на прокатку заготовки с учетом минимизации потерь металла при дальнейшей адъю-стажной обработке. Проведено опытно-промышленное опробование алгоритма формирования схем прокатки и метода расчета оптимальных настроечных размеров проката с учетом его последующей адъюстажной обработки. Внедрение разработанных моделей, алгоритмов и режимов прокатки в составе системы автоматического регулирования размеров проката (САРРП) на стане 950 завода «Днепроспецсталь» позволило снизить потери металла в брак и стружку и увеличить выход годного на 0,53 проц.(абс).

Апробация работы. Материалы работы доложены на IV Всесоюзной научно-технической конференции «Теоретические проблемы прокатного производства» (Днепропетровск, 1988), научном семинаре прокатных отделов Института черной металлургии Национальной Академии наук Украины (1996 г.), отраслевых координационных совещаниях 1984-1991 г.г.. По материалам диссертации опубликовано б работ и получены 2 авторских свидетельства на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка использованной литературы из 100 наименований, 50 рисунков, 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Влияние точности размеров и качества поверхности проката на потери металла при отделке.

Легированный сортовой прокат служит заготовкой для дальнейшей прокатки, его используют также на машшюстроительных заводах для изготовления деталей механической обработкой. В зависимости от назначения крупносортового легированного проката различно влияние точности проката на потери металла при адъюстажной обработке.

Качество проката по точности размеров и глубине залегания поверхностных дефектов оценивали с помощью введенных нами показателей рассеивания:

КР,^А>/1А1

где //1,/, А, - допустимое и фактическое поле рассеивания /-го показателя качества.

Требуемое качество проката обеспечивается, если выполняются следующие условия для соответствующих показателей рассеивания:

Л'р о < 1; Яр.лл ! Клв<1,

где И - диаметр проката; АО - озальность проката; 8- глубина поверхностного дефекта.

Диаметр круглых профилей и глубина поверхностных дефектов являются в общем случае случайными величинами. Поэтому разработан вероятностный метод расчета потерь металла при отделке.

Суммарные потери металла при исправлении брака (переход в стружку при обточке) составляют:

к,,.=ск+уч,.г.-кк,п) а - Ф+ я(УП+Уч„П-У,Л\,П) ш/м

где У„ - величина потерь металла в брак из-за превышения допустимых отклонений формы и размеров проката; Уч,„ - величина потерь металла в брак из-за превышения допустимых отклонений глубины залегания дефектов поверхности проката; ц - коэффициент исправления брака.

Суммарные потери металла из-за превышения допустимых отклонений формы и размеров составляют:

'/„ = У,> + у о - УпУс,

где У0 - величина потерь металла в брак из-за превышения допустимых отклонений по величине диаметра профиля проката; У„ - величина потерь металла в брак из-за превышения допустимых отклонений по форме профиля.

Исследования, выполненные с помощью описанной выше методики оценки потерь метачла ,позволили оценить влияние точности профиля проката и качества его поверхности на потери металла в брак. Анализ результатов показал, что при прокатке металла с назначением на последующую горячую обработку точность не оказывает влияния на величину потерь металла от поверхностных дефектов. Интенсивный роет брака наблюдается при коэффициенте точности по глубине поверхностных дефектов К„_5 > 1,5, поскольку качество поверхности определяется в данном случае глубиной поверхностных дефектов. При производстве металла с назначением на холодную механическую обработку брак по дефектам отсутствует при Кт^< 1,5. В случае, когда 0,5 < <1,5, происходит резкое увеличение брака по дефектам, который достигает 99 % при = 1,5.

Прогнозирование появления дефектов проката из легированной стали на деформационном переделе

Пораженность деформированного металла поверхностными дефектами определяется не только качеством поверхности слитков, но и нарушением сплошности металла в процессе прокатки. Основным дефектом поверхности, образующимся при деформации легированного металла, являются рванины. Исследованиями, выполненными на заводе «Днепроспецсталь», установлено, что 45 % дефектов поверхности сортового проката из коррозионностойкой стали представлено рванинами. Раскатанные трещины составляли 32 %, дефекты разливки (раскатанные корочки, раскатанные загрязнения) -17 %.

Появление поверхностных дефектов при горячей деформации чаще всего связывают с пониженной технологической пластичностью металла и с неоднородностью пластической деформации, приводящей к нарушениям сплошности металла в поверхностных и глубинных слоях . Разрушение сплошности при исчерпании ресурса пластичности связано с несовершенством деформированной структуры. Как показали исследования, в большинстве случаев рванины на стали 08Х18Н10Т сопровождаются нерекристаллизованной структурой (наклепом зерна аустенита). При этом в зоне дефекта неметаллических включений и вторичных оксидов не обнаружено. Исходя из этих фактоз предположили, что температура поверхностных слоев металла с дефектами «рванина» в процессе деформации была ниже температуры рекристаллизации. Вследствие этого в следующем проходе наклеп структуры продолжал увеличиваться, рекристаллизации аустенита и залечивания микродефектов не происходило и наступало разрушение сплошности металла, т.е. появлялся дефект «рванина».

Отмеченная выше связь поверхностных дефектов со структурой аустенита при деформации вызывает необходимость изучения процессов рекристаллизации деформированного аустенита, а также возможности их математического описания.

При прокатке малой частичных металлов и сплавов исключительно важное значение имеют вопросы неравномерности деформации. Исследования выполнены с помощью компьютерной программы ОСНЛС-2В. Программа разработана на базе конечно-разностной модели плоского пластического течения металла в межвалковом зазоре. Ниже в общих чертах изложены основные положения математической модели.

Плоское пластическое течение несжимаемой среды в прямоугольных декартовых координатах х, у определяется тремя компонентами тензора напряжений (тл Оу, Тф и двумя компонентами вектора скорости Уа Уу. Компоненты тензора напряжений должны удовлетворять дифференциальным уравнениям равновесия:

5а/5х + Зтху/ёу = 0, 5ту.& + 8<т/8у = О

Компоненты вектора скорости должны удовлетворять условию несжимаемости:

бУугк + дУ/4' = О

Для замыкания системы уравнений относительно пяти неизвестных функций а„ оу, тху, У„ Уу использован закон вязко-пластического течения, связывающий компоненты девиатора напряжений с компонентами тензора скоростей деформаций:

/у - коэффициент динамической вязкости металла; К- сопротивление пластическому сдвигу;

В ходе вычислительного эксперимента определяли границы зон скольжения и прилипания. При этом полагали, что контактные силы трения в зоне прилипания определяются внутренними силами трения в граничном слое металла. Когда эти силы превышают силы внешнего трения, определяемые, например, по закону сухого трения, то происходит срыв металла и начинается скольжение. Распределение скорости скольжения по дуге контакта приняли линейным: от окружной скорости валка до скорости металла на входе и выходе очага деформации.

С помощью математической модели исследовали течение металла при прокатке заготовки в обжимной клети стана 950. Для проведения вычислительных экспериментов выбрали 1, 12, 19 и 25-й проходы, в которых относительное обжатие соответствовало 5, 10,19 и 25 %. Соответственно параметр 1/кср составлял 0,2, 0,38, 0,60 и 0,87.

Анализировали распределение продольных скоростей течения по очагу деформации, эквивалентной скорости деформации с и накопленной деформации е. Анализ эпюр скоростей показал, что чем выше прокатываемая полоса, тем больше деформация локализуется у контактной поверхности, образуются зоны попятного течения металла. Для случая прокатки с / / ¡¡ср~ 0,2 неравномерность течения сконцентрирована на 1/4 полутолщины полосы .

Наиболее ярко неравномерность деформации проявляется на эпюрах накопленной деформации. Так, для случая прокатки е = 5 % (/ / Лср=0,20) приконтакт-ные слои металла претерпевают деформацию до 0,3 , т.е. в 6 раз большую, чем

стх = -Р-г (и + К/Н)сх ау~-Р + (/и + К/Н) су тху = (ц + К/Н) у„,

где Р = -(ах+ оу)/2 - гидростатическое давление; сх = оУ/ах; £у = 5У/5у, уху = 1/2 (¿У/&с +

центральная часть проката. По мере увеличения обжатия неравномерность уменьшается. Так, при £=25 % (///1^=0,87) деформация приконтактного слоя составляет 0,48 , т.е. неравномерность по толщине равна 1,6. Максимальная величина скорости деформации сконцентрирована в приконтактном слое входного сечения очага деформации и на порядок превышает средние значения скорости деформации, рассчитанной для случая равномерной (по гипотезе плоских сечений) деформации.

Температурное поле металла при прокатке крупносортных профилей обладает значительной неравномерностью по сечению. Расчетные и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что неравномерность температуры крупной заготовки (~180 мм) составляет 150 - 200 °С и сосредоточена в слое толщиной 20-25 мм.

С учетом установленных выше зависимостей распределения степени, скорости деформации и температуры металла исследовали сопротивление деформации нержавеющей стали типа 12Х18Н9Т в очаге деформации. Получено, что сопротивление деформации в большей части очага деформации изменяется в пределах 20-55 Н/мм", при этом его величина монотонно возрастает от оси раската к его поверхности. По мере приближения к поверхностным слоям сопротивление деформации после достижения максимума начинает несколько снижаться за счет уменьшения степени и скорости деформации в приконтактных слоях, где имеет место участок затрудненной деформации, обусловленный наличием зоны «прилипания». Эта тенденция снижения сопротивления деформации сохранилась бы вплоть до поверхностного слоя, если бы не снижение температуры металла в приконтактном слое. Из-за снижения температуры металла в приконтактном слое сопротивление деформации начинает резко возрастать до 70-90 Н/мм2.

При прокатке высокой полосы / / /гср=0,20 имеет место разноименная схема напряжений: растягивающие напряжения в осевой зоне очага деформации в сечениях 14-20 на входе и сжимающие напряжения в сечениях 2-10 на выходе очага деформации.

Модель деформации и рекристаллизации аустенита.

Основой для расчетов параметров микроструктуры послужили работы С.М. Селларза, Ж.А. Ваитмана . С. Лиски, Ж. Возняка и другие. Анализ и синтез этих методик позволили построить обобщенную модель формирования структуры аустенита при деформации. Модель динамической рекристаллизации включает расчет следующих параметров:

- степени деформации, при которой начинается динамическая рекристаллизация (£■„);

- доли динамически рекристаллизованной структуры (XJ);

- величины динамически рекристаллизованного зерна (Dd).

s

Модель статической рекристаллизации включает расчет следующих параметров структуры:

- времени 50 %-ой статической рекристаллизации (10.5);

- доли статически рекристаллизованной структуры (А'«);

- величины статически рекрисгаллизозанного зерна (Д^);

- размера зерна при собирательной рекристаллизации (О»,).

В работе приведены соответствующие зависимости и константы, входящие в обобщенную модель структуры деформированного аустенита для углеродистых, низколегированных и легированных (аустенитных) марок сталей.

Исходными данными для расчета параметров структуры аустенита после первого прохода являются начальный диаметр зерна аустенита Д,, степень с, скорость е, температура / деформации, а также время деформации т; и длительность последеформационной паузы г?. Сначала рассчитывается критическая деформация динамической рекристаллизации. Если ек > е , то определяются параметры динамической рекристаллизации г,,'" (Х=0,95), X]'1, . Если Х^" < 1, то рассчитываются параметры статической рекристаллизации г„ (Л"=0,5), Хя, Дя.

В случае, если АГЯ=1 рекристаллизация зерна завершена, поэтому наклеп зерна отсутствует (А£=0), а размер зерна в процессе роста рассчитывается за время

Если же Ха < 1, то к следующему проходу зерно аустенита остается наклепанным (нерекристаилизованным). Величину наклепа определяли по формуле: Ле = (1 - А'я) е1, а величину зерна аустенита перед следующим проходом рассчитывали по формуле:

Исходным размером зерна аустенита перед вторым проходом будет величина при Х5,("=1 или В<г> при Х<!]><1. Степень деформации аустенита во втором проходе принимали с учетом наклепа аустенита, сохранившегося после первого прохода: г/ = е2 + ЛЕ1.

Остаточный наклеп аустенита после второго прохода определяется по формуле:

АЕ2 = (1-ХЯ(2>)£З'

Таким образом, в случае неполной рекристаллизации аустенита его наклеп может возрастать от прохода к проходу, снижая пластичность горячего металла.

ЬГп»итатТ П11ЛТЛ»ТТ»ТЛ т> ГЛТЧЛ^^ТТО ЛТТТЛ» § Л*1Л£> »Л О Л Т'ОТО иллпапЛ"1 ПТ» ГГГ\1Х П ГН

а ¿шЬс^/ллгоъ/Х.Нч/ш слои ^и^лы»и ирх1 Х^ил«!*!».«*

нержавеющей стали типа 18-9 и углеродистой стали типа СтЗ в "первых шести проходах (без кантовки). Анализ полученных результатов показал, что рекри-

сталлизация аустенита нержавеющей стали при температуре деформации 1250 °С происходит уже в первом проходе и при дальнейшей прокатке аустенит не наклёпывается. Диаметр зерна после третьего прохода стабилизируется на величине 61 мкм. При температуре деформации 1200 °С рекристаллизация аустенита после первого обжатия не завершается полностью в течение междеформационной паузы и составляет 8,5 %. Аустенит перед вторым проходом сохраняет наклеп в виде остаточной деформации ^£>=0,05 , при размере исходного зерна аустенита 148 мкм. После второго прохода, деформация в котором с учетом остаточной составляла 0,35, рекристаллизация завершилась полностью; зерно аустенита измельчилось до 57 мкм.

По мере снижения температуры деформации до 1150, 1100, 1050, 1000 °С полная рекристаллизация аустенита происходила после третьего, четвертого, четвертого и шестого проходов соответственно. При этом зерно аустенита измельчилось до 48,42, 36 и 19 мкм.

Наклеп аустенита оценивали по величине параметра Ас. Из полученных данных следует, что с понижением температуры Ле возрастает и достигает величины: при 1200 °С Астах=0,05 (после 1-го прохода); при 1150 °С Аетах =0,30 (после 1-го прохода); при 1100 °С Астах =0,43 (после 2-го прохода); при 1050 °С Аетах =0,57 (после 2-го прохода); при 1000 °С Астшс =1,41 (после 5-го прохода). Максимальный наклеп аустенита происходит при температуре деформируемого металла ниже 1050 СС. Эта температура является критической для пластичности нержавеющей стали, подвергаемой многопроходовой прокатке. Учитывая, что в при-контактных слоях входного и выходного сечений имеются растягивающие напряжения, то очевидны предпосылки для разрушения поверхностного слоя проката и появления дефекта типа «рванина». В работе определено, что образование этого дефекта должно происходить в первых проходах. При дальнейшей прокатке эти дефекты «выкатываются», о чем свидетельствуют экспериментальные данные о глубине поверхностных дефектов. В углеродистых сталях наклеп аустенита наступает при значительно меньших температурах деформации. Неполная рекристаллизация аустенита после первого прохода обнаруживается при температуре 1050 °С. При 900 °С составляет Ае^ =0.58 после 2-го прохода, а после 4-го прохода при этой температуре рекристаллизация завершается полностью. Таким образом, разрушение сплошности поверхностных слоев проката из углеродистой стали за счет наклепа аустенита в процессе многократной деформации маловероятно. Экспериментальное исследования дефектов на поверхности крупносортного проката показали, что глубина поверхностных дефектов на заготовках из легированных конструкционных и подшипниковых сталей составляет 1,9 -- 3,5 мм, из высоколегированных нержавеющих сталей -13 мм.

Исследование точности прокатки крупносортного проката из легированной стали.

В основу метода расчета усилия прокатки крупносортных профилей положены аппроксимирующие зависимости коэффициента напряженного состояния т]а, коэффициента плеча момента щ уширения ЛЬ и контактной площади Рк от безразмерных геометрических критериев подобия очага деформации:

1г0/Н,; 1г0 /О; И0/Ь0; ¡гр/Ьк,

где Л о, Ь/г исходная высота и ширина проката; Ир, Ьк - глубина ручья и ширина дна калибра; Б - катающий диаметр валков.

Исходными данными для аппроксимации явились результаты теоретического исследования процесса прокатки, выполненного на базе комплексной математической модели процесса прокатки в калибрах. Исследования выполнялись методом трехточечной аппроксимации в соответствии с планом эксперимента.

Для расчета усилия прокатки приняли следующую формулу:

/>= 7]аРк а

Для коэффициента напряженного состояния получена следующая аппроксимирующая зависимость:

т]а= ехр(0,184) (!10//11)0,787(1,0/В) - 0,212(1г0/Ьц) - 0,342(2 /1р/Ьк)0,295

Дчя контактной площади: ^ = 0,135 И0 Ь0 0ю/Ь^З,48(И0/В)-0,523(к0/Ъ(д - 0,101(2 Ир/Ьк)0,143

Ширину проката после каждого прохода определяли по формуле: Ь, = 0,934 Ь„ (1ц/ 1г,)0,37(11О/й) - 0,043(П0/Ьв)0,045

Оценку точности этих формул выполнили на основе экспериментальных данных, полученных при прокатке слитков из сталей ШХ15 и 12Х18Н10Т в обжимной клети стана 950. Анализ показал, что для стали ШХ15 средняя погрешность расчета усилия прокатки составляла 10,1 %, для стали 12Х18Н10Т -12,7 %.

С целыо получения зависимости жесткости прокатной клети от формы и положения калибров на валке выполнено экспериментальное исследование жесткости заготовочной клети стана 950 завода «Днепроспецсталь» и разработана методика расчета деформации сортовых клетей в зависимости от компоновки и формы примешемых калибров. В работе проведено исследование и получены зависимости жесткости клети 950 для алгоритма управления САРРП при прокатке всего сортамента круглых профилей. В соответствии с целью исследования в качестве варьируемого параметра выбрана координата точки приложения усилия к валку. Для моделирования нагружения клети прокатывали образцы клиновидной формы. Суммарную деформацию клети определяли путем измерения толщины

прокатываемых образцов. Анализ результатов эксперимента показал, что жесткость клети зависит от положения прикладываемого усилия на валке и снижается от 3130 кН/мм у края до 2310 кН/мм по середине валка.

В работе решена задача расчета упругой деформации валков в зависимости от компоновки калибров на валке при плавном изменении в широких пределах формы калибров. Разработанная методика может применяться для расчета жесткости сортопрокатных клетей. Выполненное исследование показало, что жесткость клетей зависит от точки приложения силы на валке и снижается от максимального значения у края до минимального в середине валка.

С помощью разработанной математической модели выполнили анализ влияния условий деформации на усилие прокатки заготовки размером 180x180 мм в последнем проходе обжимной клети стана 950. Для оценки влияния колебаний геометрических размеров раската и его температуры на отклонение конечной толщины от заданной разработали соответствующий алгоритм расчета. Согласно результатам расчетов передаточные отношения имеют следующие значения: Sit]/ ¿¡h/r0,02 мм/мм; Shj/ ¿bß-0,005; Sit¡/ 8c = 0,012 мм/Н/мм2. Реальные изменения величин в одной партии раскатов не превышают 5 мм, поэтому основным параметром, влияющим на отклонения толщины на выходе из прокатной клети, является сопротивление деформации прокатываемого металла, которое, в свою очередь, зависит от температуры раската и химического состава стали. Изменения высоты проката после прокатной клети при изменяющихся условиях деформации не превышают 0,4 - 0,6 мм.

Оценка колебаний энергосиловых параметров прокатки в производственных условиях показала, что максимальные усилия прокатки на стане 950 при прокатке стали ШХ15 изменяются от 7950 до 9900 кН. Разброс минимальных и максимальных значений усилия от среднеарифметического усилия по проходу для различных слитков составляет около 10 %. В отдельных проходах разброс усилия прокатки достигал от -21,2 % до +27,1 %, что обусловлено соответствующими колебаниями температуры металла.

Точность размеров сортового проката измеряли на адъюстаже прокатного цеха. Для круглого проката из конструкционных и подшипниковых сталей, предназначенных для последующей холодной механической обработки, диаметром менее 170 мм характерна удовлетворительная точность профиля. Коэффициенты использования поля допуска не превышают единицы. У профилей диаметром 180 мм фактические размеры не отвечают предельно допустимым отклонениям, регламентированным требованиями стандартов. При прокатке нержавеющих сталей точность размеров проката резко снижается практически на всем размерном сортаменте, фактические размеры выходят за пределы допусков.

Разработка метода управления технологическим режимом прокатки крупносортного проката на стане 950

В диссертации разработан алгоритм формирования схем прокатки, суть которого заключается в следующем. В процессе прокатки, начиная с первого прохода, рассчитывают фактическое сопротивление деформации прокатываемого металла и составляют схему прокатки с учетом фактического сопротивления деформации и ограничений, налагаемых допустимыми усилием и моментом прокатки, отношением ширины к высоте раската, ширины калибра последующего прохода и условием устойчивого захвата металла валками. Способ включает операции: измерение усилия прокатки, измерение межвалкового зазора. Новым в способе является то, что по измеренным в первом (пробном) проходе данным о величине зазора и соответствующему усилию прокатки прогнозируют сопротивление деформации для следующего прохода, вычисляют величину обжатия для второго прохода с учетом всех ограничений, осуществляют прокатку во втором проходе при рассчитанном значении обжатия, при этом измеряют межвалковый зазор и усилие прокатки, прогнозируют сопротивление деформации для следующего прохода по значениям измеренных величин. Дальше процесс прокатки в последующих проходах осуществляют аналогично изложенному. Анализ полученных схем прокатки показал, что при их составлении правильно учитываются требования сохранения устойчивости заготовки при прокатке после кантовки, выполняются ограничения, налагаемые существующей калибровкой валков. Снижение начальной температуры слитка и допустимого уровня усилий при прочих равных условиях приводило к изменению схемы прокатки (увеличению числа проходов). В то же время было отмечено нерационально большое число кантовок при прокатке на гладкой бочке для слитков с невысоким сопротивлением деформации.

На стане 950 завода «Днепроспецсталь» введена в эксплуатацию система автоматического управления технологическим процессом (АСУТП). Функции этой системы включают сбор и обработку технологической информации, которая отражает реальное состояние процесса прокатки каждого раската; расчет и обработку величины управляющих воздействий; коррекцию параметров настройки с целью компенсации отклонений размеров проката, возникающих в результате колебаний технологических параметров прокатки. Оценку эффективности работы системы автоматического регулирования размеров проката (САРРП), входящей в АСУТП, осуществляли в период опытно-промышленной эксплуатации. Контроль за процессом производили путем непрерывного измерения геометрических размеров, анализа точности и стабильности прокатки и обработки данных о браке и потерях металла в стружку. Объем опытных партий соответствовал 50-70 слиткам трех плавок, прокатанных на каждый профилеразмер в интервале 130-180мм из подшипниковых (ШХ15, ШХ15 СГ), легированных конструкционных (40Х, 40ХНМ, 30ХН2МА) и нержавеющих сталей (08 - 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т,

10X18Н9). Полученные результаты использовали в качестве базовых значений при расчете оптимальных режимов прокатки. Поскольку применение САРРП позволяет повысить точность профилей подшипниковых и конструкционных легированных сталей на 30-45 %, то с учетом большой глубины дефектов, оптимальной является прокатка круглых профилей со смещением среднего диаметра на 0.35-0.57мм к верхней границе поля допуска. Установлены дифференцированные припуски под обдирку от 6 до 12 мм для профилей 130-190 мм.

Сравнительные данные результатов расчета влияния точности проката при массовых испытаниях САРРП показали, что применение разработанных режимов прокатки позволило уменьшить потери металла в брак и стружку, и увеличить выход годного на 0,53 % (абс.).

ВЫВОДЫ

1. С помощью математической модели вязкопластического течения металла исследованы параметры деформации раската в заготовочной клети стана 950, в том числе распределение деформации по элементам сечения.

Установлено, что:

- деформация по высоте полосы распределяется неравномерно, наиболее сильно неравномерность деформации проявляется на эпюрах накопленной деформации, например, в первом проходе ( £ = 5 %; / / Иср = 0,2) поверхностные слои металла претерпевают деформацию, в 6 раз превышающую деформацию центральных слоев раската;

- неравномерность деформации возрастает с уменьшением / / Лсл причем наиболее сильно при //Ад, < 0,4;

- усредненная по длине очага деформации скорость деформации поверхностного слоя раската в несколько раз (до 6-ти) превышает скорость деформации, рассчитанную на основе гипотезы плоских сечений.

2. Выполнен анализ распределения температуры, сопротивления деформации и напряжений в раскате на различных этапах деформирования. Показано, что неравномерность температуры металла по сечению раската достигает 150-200 °С, причем этот перепад сосредоточен в поверхностном слое толщиной 20-25 мм. Получено, что из-за неравномерности распределения параметров деформации и температуры по сечению раската сопротивление деформации в поверхностном слое раската в 1,7-3,5 раза выше, чем в центральных слоях.

3. С помощью математической модели деформации и рекристаллизации ау-стенита углеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей исследовано влияние параметров деформации на наклеп (остаточную деформацию) ау-стенита, что рассматривается как критерий снижения пластичности стали. Установлено, что наклеп аустенита в поверхностном слое раската из высоколегированной стали марки 12Х18Н10Т наступает при температуре ниже 1200 °С и мо-

жет достигать значительной величины ( As = 1,41) при температуре 1050 °С. С учетом наличия растягивающих напряжений в очаге деформации такой значительный наклеп аустенита с большой вероятностью может стать причиной появления поверхностного дефекта «рванина». Показано, что наклеп аустенита углеродистых сталей начинается при более низких температурах деформации (ниже 1050 "С ). При 900 °С наклеп может достигать величины Ле = 0,58, т. е. появление поверхностных нарушений сплошности проката из углеродистых сталей маловероятно вследствие высокой пластичности. Степень деформации в исследованиях была принята равной 0,3, скорость деформации -5 с"1. Экспериментальные исследования поверхностных дефектов при прокате в условиях стана 850 подтверждают результаты прогнозирования появления поверхностных дефектов, полученные аналитическим путем.

4. Разработан метод расчета усилия прокатки крупносортных профилей в обжимной клети стана 950, основанный на аппроксимирующих зависимостях коэффициента напряженного состояния и контактной площади от безразмерных геометрических параметров проката в калибрах простой формы. Средняя погрешность метода составляет 10,1 - 12,7 проц. в зависимости от марки стали.

5. Проведены вычислительные эксперименты по оценке влияния условий деформации на усилие прокатке и изменение межвалкового зазора. Показано, что основное влияние на эти параметры оказывают факторы (степень и скорость деформации, температура, химический состав стали), определяющие сопротивление деформации стали. Полученные данные подтверждены экспериментальными исследованиями.

6. На базе результатов выполненных исследований разработан алгоритм формирования схем прокати, использование которого минимизирует число проходов и предотвращает возникновение брака. С помощью предложенного алгоритма рассчитаны оптимальные схемы прокатки заготовок из коррозионных сталей при температурах 1250,1220,1200 °С.

7. Выполнено опытно - промышленное опробование алгоритма формирования схем прокатки и метода расчета оптимальных настроечных размеров проката с учетом его последующей адъюстажной обработки. Внедрение разработанных моделей, алгоритмов и схем прокатки в составе системы автоматического регулирования размеров~проката (САРРП) позволило снизить потери металла в брак и стружку и увеличить выход годного на 0,53 проц. (абс.).

Основное содержанке диссертации отражено в следующих работах (публикациях):

1. Оценка точности горячекатаной круглой стали / B.C. Берковский. А.Н. Табаков, Г.В. Кийко и др. II В кн.: Пластическая деформация металлов и сплавов. МИСиС. М.: Металлургия,-1985,- с.26-30.

2. Влияние показателей качества поверхности проката на потери металла / А.Н.Табаков, Г.В.Кийко // В кн.: Пластическая деформация металлов и сплавов. МИСиС.М.: Металлургия.- 1985,- с. 196-198.

3. Метод оперативной оценки качества проката / B.C. Берковский, Г.В. Кийко, А.Н. Табаков // В кн. «Тезисы докладов IV Всесоюзной н.-т. конференции «Теоретические проблемы прокатного производства» / ДМетИ. Днепропетровск. 1988, с. 195- 196.

4. Исследование неравномерности деформации по сечению проката / Ноговицын A.B., Кийко Г.В., Сафьян A.M.-, Ин-т черной металлургии HAH Украины,-Днепропетровск, 1996,- 18 е.: ил. Библиогр: 9 назв.- Рус - Деп. в ГНТБ Украины 21.05.96, № 1241-Ук 96.

5. Наклеп деформированного аустенита легированной стали как критерий разрушения сплошности проката на деформационном переделе / Ноговицын A.B., Кийко Г.В/, Ин-т черной металлургии HAH Украины- Днепропетровск, 1996.— 28 е.: ил. Библиогр: 4 назв.- Рус - Деп. в ГНТБ Украины 21.05.96, № 1242 - Ук 96.

6. Исследование распределения температуры и напряжений в деформированном металле / Кийко Г.В. , Ноговицын A.B.; Ин-т черной металлургии HAH Украины.- Днепропетровск, 1996- .12 е.: ил. Библиогр: 3 назв.- Рус- Деп. в ГНТБ Украины 21.05.96, № 1243 -Ук 96.

7. A.C. 1035421, СССР. Способ измерения геометрических размеров горячего проката и устройство для его осуществления / В.Т. Жадан, B.C. Берковский, A.A. Разладский, Г.В. Кийко и ф.Опубл.15.08.83, Бюл. № 30.

8. A.C. 1362518, СССР, МКИ4 В21В 37/00. Способ управления режимом прокатки на обжимном стане / П.И. Лопухин, В.Т. Жадан, B.C. Берковский, Г.В. Кийко и др. Опубл. 30.12.87, Бюл. № 48.

Кийко Г.В. Разработка и внедрение меташюсберегающего технологического процесса прокатки крупносортных профилей из легированных сталей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - «Процессы и машины обработки давлением», Институт черной металлургии НАН Украины, Днепропетровск 1997 г.

Выполнена теоретическая разработка метода прогнозирования образования дефектов поверхности проката из легированных сталей на деформационном переделе. Экспериментально и аналитически исследована точность прокатки крупносортного проката. Разработан, опробован и внедрен алгоритм формировать схем прокатки, метод определения размеров проката с учетом последующей отделки (обточки) и управления режимом прокатки в составе системы автоматического управления технологическим процессом стана 950.

Ключевые слова: крупносортный прокат, дефекты поверхности, точность, модели, алгоритмы, схемы прокатки.

The elaboration and application of metal-saving technology of sections rolling. The dissertation is submited for a candidate degree of technical sciences on speciality 05.03.05 «Processing and machines of pressure treatment», Ferrous Metallurgy Institute NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk 1996.

There have been carried out a theoretical elaboration of defects prognostication methods on rolled alloy steel section surface during rerolling process. Experimentaly and analytically there have been studied the precision of heavy sections rolling. There have been elaborated, tested and applied the algorithm of roll pass sequence making up, the method of rolling sizes determinating with a subsequent finishing (turning) been taken into consideration as well as the method of rolling mode control being an integral part of automatic control system of 950 rolling mill technology process.

Key-words: heavy sections, surface defects, precision, models, algorithms, roll pass sequence.

Ключов1 слова: крупносортовий прокат, дефекти поверхш, точшеть, модел1, алгоритми, схеми прокатки