автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Совершенствование и проектирование калибровок простых сортовых профилей на основе анализа показателей формоизменения и энергосиловых параметров

Введение

Методы расчета показателей формоизменения и энергосиловых параметров при сортовой прокатке

1.1. Методы определения показателей формоизменения при прокатке в калибрах

1.2. Основные подходы к определению энергосиловых параметров

Разработка методик расчета показателей формоизменения и энергосиловых параметров на основе количественной формулировки принципа наименьшего сопротивления

2.1. Количественная формулировка принципа наименьшего сопротивления

2.2. Расчет показателей формоизменения при прокатке в калибрах на основе количественной формулировки принципа наименьшего сопротивления

2.3. Расчет среднего контактного напряжения на основе количественной формулировки принципа наименьшего сопротивления

2.4. Расчет поля контактных напряжений с применением матричного описания очага деформации

2.5. Ограничения и сфера применения разработанных методик

2.6. Выводы

3. Экспериментальное исследование разработанных методик расчета показателей формоизменения и энергосиловых параметров

3.1. Реализация методик расчета на ЭВМ

3.2. Экспериментальная проверка и сравнительный анализ расчета показателей формоизменения

3.3. Влияние основных факторов на формоизменение

3.4. Экспериментальная проверка и сравнительный анализ расчета среднего контактного напряжения

3.5. Выводы

4. Реализация возможностей разработанной методики на примере стана 300 № 3 ОАО «ММК» с целью расширения сортамента прокатываемых профилей

4.1. Определение направления эффективного использования разработанной методики

4.2. Описание технологии и оборудования стана

300 № 3 ОАО «ММК»

4.3. Расчет калибровок новых профилей для стана

300 № 3 ОАО «ММК»

4.4. Разработка технологических режимов прокатки для новых калибровок

4.5. Выводы

Калибровка прокатных валков является важнейшим элементом технологии сортовой прокатки. Основой для расчета калибровки валков является достоверное определение формоизменения металла при прокатке в калибрах. Ошибки расчета показателей формоизменения могут привести к существенным издержкам при освоении новых калибровок (поломкам оборудования прокатного стана, получению различных дефектов прокатываемого профиля, повышению расхода валков на период освоения, потерям времени на устранение допущенных ошибок и т. д.).

Несмотря на большое количество научных методов расчета калибровок сортовых профилей по-прежнему сохраняется необходимость в простых и надежных инженерных методах, позволяющих быстро и точно проводить расчеты в соответствии с требованиями производства. На протяжении долгого времени этим вопросом занималось большое количество ученых. Однако до сих пор наблюдается дефицит простых и надежных методов расчета показателей формоизменения и энергосиловых параметров при прокатке металла в калибрах.

Данная ситуация свидетельствует о недостаточной изученности основных законов течения металла.

При этом по утверждению многих ученых, одним из важнейших принципов, которому подчиняется течение металла, является принцип наименьшего сопротивления. Однако в литературе он имеет лишь качественную формулировку, которая гласит, что металл течет в сторону наименьшего сопротивления, и не имеет количественной формулировки, которая позволяла бы определить количество металла, смещаемого в том или ином направлении. Хотя нужно отметить, что данный принцип все же находит применение в вариационных методах расчета, но сложность этих методов не позволяет разработать простые и универсальные методики 5 определения формоизменения и энергосиловых параметров при прокатке в калибрах.

В связи с этим в данной работе представлена разработка выражения, связывающего смещенные объемы металла с напряжениями, которое можно рассматривать как вариант количественной формулировки принципа наименьшего сопротивления. На основе данной формулировки были разработаны простые и точные инженерные методики расчета показателей формоизменения и энергосиловых параметров при прокатке в калибрах, а также компьютерные программы, позволяющие проектировать калибровки сортовых профилей простой формы при прокатке на станах с двух- и трехвалковыми клетями.

1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ И ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ СОРТОВОЙ ПРОКАТКЕ

В настоящее время известно большое количество методов определения показателей формоизменения и энергосиловых параметров в различных процессах обработки металлов давлением. Эти методы имеют в своей основе различные подходы и границы применимости, обладают достоинствами и недостатками. Рассмотрим основные из этих подходов и методов.

4.5. Выводы

1. Разработаны рекомендации по использованию программных средств при расчете и анализе калибровки. Программное обеспечение применено при выполнении хоздоговорных НИР № 2001-4 и 2001-5 между МГТУ и ОАО «ММК» и используется на практике в калибровочном бюро ОАО «ММК» для расчета калибровки валков стана 300 № 3.

2. На основе разработанной методики с использованием разработанного программного обеспечения и на основании рекомендаций отчета по НИР № 2001-5 в калибровочном бюро ОАО «ММК» рассчитана калибровка для прокатки новых круглых профилей 011, 13, 14 и 15 мм, расширяющих сортамент стана 300 № 3 ОАО «ММК». Калибровка профиля 011 мм была успешно опробована на стане и внедрена в производство.

95

3. Разработаны технологические рекомендации, вошедшие в отчет по НИР № 2001-4 между МГТУ и ОАО «ММК» и заключающиеся в определении скоростного режима и схемы движения прокатных шайб, что позволило эффективно использовать полученные результаты обслуживающему персоналу стана при освоении новых профилей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования можно сделать следующие основные выводы.

1. С использованием матричного метода описания процесса формоизменения и предложенной формулировки принципа наименьшего сопротивления получены новые формулы для расчета показателей формоизменения и энергосиловых параметров при прокатке в калибрах. Определены границы применения данных формул - двух- и трехвалковые калибры простой формы с двумя или тремя осями симметрии.

2. При помощи сравнительного анализа разработанных методик расчета контактных напряжений и показателей формоизменения с известными методиками В.К.Смирнова, А.П.Чекмарева и ВНИИМЕТМАШа показано, что они дают достаточно близкие результаты для известных типовых систем калибров.

3. В результате экспериментального исследования методики расчета показателей формоизменения в типовых и нетиповых системах калибров, предложенной автором, установлено, что средние отклонения расчетных значений R, от опытных для двухвалковых калибров составило 2,54%, а для трехвалковых калибров 1,45% соответственно.

4. Установлено, что при прокатке в типовых и нетиповых системах калибров предложенная методика расчета среднего контактного напряжения позволяет получать результаты, отличающиеся от опытных не более чем на 19-28%.

5. Разработаны пакеты программ «DEFORM» и «DRUCK» для расчета и анализа калибровки. Программное обеспечение применено при выполнении хоздоговорных НИР № 2001-4 и 2001-5 между МГТУ и ОАО «ММК» и используется на практике в калибровочном бюро ОАО «ММК» для расчета калибровки валков стана 300 № 3.

1. Метц Н. Горячая прокатка и калибровка валков. М.: Металлургиздат, 1937. 43 с.

2. Павлов И.М. Теория прокатки. Ленинград: Изд. КУБУЧ, 1934. 366 с.

3. Целиков А.И. Влияние внешних зон на уширение и распределение скоростей и напряжении по ширине прокатываемой полосы // Проблемы металлургии: Сб. науч. тр. М.: Изд-во АН СССР, 1953.

4. Целиков А.И. Основы теории прокатки. М.: Металлургия, 1965. 247 с.

5. Тарновский И .Я., Поздеев А.А. Проблемы механики очага деформации при прокатке // Труды конференции «Технический прогресс в технологии прокатного производства». Свердловск, 1960. С. 5-10.

6. Тарновский И.Я. Распределение уширения по длине очага деформации // Сб. Уральского политехнического института «Расчет и конструирование заводского оборудования». Свердловск: Машгиз, 1953. Вып. 48. 436 с.

7. Тарновский И.Я. Формоизменение при пластической обработке металлов. -М.: Металлургиздат, 1954. 532 с.

8. Чекмарев А.П., Фирсов П.В. Уширение при прокатке углом захвата больше угла трения // Научные труды института черной металлургии АН УССР, «Прокатное производство». -Днепропетровск: Изд-во АН УССР, 1957. Вып. 1.

9. Старченко Д.И. Теоретическое исследование уширения при прокатке с нормальными и сверхвысокими обжатиями // Сб. трудов Ждановского металтургического института. Харьков: Металлургиздат, 1960. Вып. 5.

10. Старченко Д.И. Уширение при прокатке на блюминге // Сталь, 1954, № 1. С. 12-15.

11. Клименко В.И. Формулы для определения уширения в прямоугольных калибрах // Сб. «Научные труды института черной металлургии». Киев: Изд-во АН УССР, 1957.

12. Калинин В.П. Метод определения продольной и поперечной деформации, среднего давления и коэффициента трения при горячей прокатке с натяжением по аналитическому выражению удельного давления // Сб. «Теория прокатки». М.: Металлургиздат, 1962.

13. Выдрин В. И. Распределение уширения в очаге деформации. // Сб. «Обработка металлов давлением». Свердловск: Металлургиздат, 1956.

14. Голубев Г.М. Распределение пластической деформации // Теория и практика металлургии, 1937, № 1. С. 54-63.

15. Северденко В.П., Jleyc И.С. Коэффициент трения при холодной прокатке тонкой полосы // Сб. физ. техн. института АН БССР «Пластичность и обработка металлов давлением» - Минск: Наука и техника, 1966.

16. Северденко В.П. Теория обработки металлов давлением. Минск: Высшая школа, 1966. 280 с.

17. Бахтинов В.Б. Технология прокатного производства. М.: Металлургия, 1983. 488 с.

18. Бахтинов Б.П. Некоторые вопросы теории прокатки // Сталь, 1946. № 4 5.

19. Бахтинов Б.П., Штернов М.М. Калибровка прокатных валков. — М.: Металлургиздат, 1953. 780 с.

20. Гришков А.И. Исследование уширения при прокатке в гладких валках // Сб. трудов МВТУ им. Баумана «Прокатные станы и технология прокатки». М.: Машгиз, 1958. Вып. 84.

21. Чижиков Ю.М. Закономерности уширения при прокатке и анализы формул для его определения // Сталь, 1948, № 11. С. 18-22.

22. Чижиков Ю.М. Логарифмические формулы для уширения при прокатке // Сб. «Обработка металлов давлением». М.: Металлургиздат, 1954. Вып 3.

23. Чижиков Ю.М. Моделирование процесса прокатки. М.: Металлургиздат, 1963.

24. Полухин П.И. Анализ уширения при прокатке // Сталь, 1947, № 7. С. 23-26.

25. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. Т. I. — М.: Металлургиздат, 1961. 376 с.

26. Смирнов B.C., Богоявленский К.И., Павлов Н.Н. Калибровка прокатных валков по методу соответственной полосы. М.: Металлургиздат, 1953. 328 с.

27. Головин А.Ф. Прокатка. Ч. 1. -М.: Металлургиздат, 1933.

28. Диомидов Б.Б., Литовченко Н.В. Калибровка прокатных валков. -М.: Металлургия, 1970. 310 с.

29. Литовченко Н.В., Диомидов Б.Б., Курдюмова В.А. Калибровка валков сортовых станов. -М.: Металлургиздат, 1963. 636 с.

30. Поляков М.Г., Никифоров Б.А., Гун Г.С. Деформация металла в многовалковых калибрах. М.: Металлургия, 1979. 240 с.

31. Поляков М.Г. Деформация металла в многовалковых калибрах: Дис. д-ра техн. наук. Магнитогорск, 1970. 248 с.

32. Зибель Э. Обработка металлов в пластическом состоянии. М.: ОНТИ, 1934.

33. Мутьев М.С. Вывод формул уширения при прокатке на гладкой бочке // Сб. трудов Днепропетровского металлургического института «Обработка металлов давлением». М.: Металлургиздат, 1960. Вып. XXXIX.

34. Зарощинский M.JI. Исследование уширения при прокатке // Сталь, 1949, № 11.

35. Мутьев М.С. Калибровка черновых валков. М.: Металлургия, 1964. 191 с.

36. Врацкий М.В. Калибровка подготовительных линий. М.: Металлургиздат, 1941. 346 с.

37. Синельников Ю.И. Определение контактной площади при прокатке в простых и фасонных калибрах // Известия вузов. Черная металлургия. 1969. № 4. С. 80-87.

38. Синельников Ю.И. Теория расчета параметров очага деформации методом статических моментов // Известия вузов. Черная металлургия. 1976. № 4. С. 120-123.

39. Минкин А.В. Расчет систем вытяжных калибров. М.: Металлургия, 1989. 207 с.

40. Березкин В.Г. Формоизменение при обработке металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1973. 152 с.

41. Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1947. 267 с.

42. Шарапин Е.Ф. Элементы теории обработки металлов давлением. -М.: Металтургиздат, 1961. 154 с.

43. Шадрин В.А. Инженерные методы расчетов деформации металла при прокатке. М.: Металлургия, 1973. 110 с.

44. Смирнов В.К., Шилов Ю.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. -М.: Металлургия, 1987. 368 с.

45. Поздеев А.А., Трусов Г.В., Няшин Ю.И. Большие упруго-пластические деформации. М.: Наука, 1986. 230 с.

46. Смирнов В.К., Шилов В.А., Литвинов К.И. Деформации и усилия в калибрах простой формы. -М.: Металлургия, 1982. 144 с.

47. Соколовский В.В. Теория пластичности. М.: Высшая школа, 1965.608 с.

48. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1968. 684 с.

49. Гун Г .Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1980. 450 с.

50. Теория обработки металлов давлением / И.Я.Тарновский, А.А.Поздеев, О.А.Ганаго и др. -М.: Металлургиздат, 1963. 668 с.

51. Берковский B.C., Жадан В.Т., Шишко В.Б. Аналитическое описание формы калибров // Тр. ин-та / Мое. ин-т стали и сплавов. 1979. Вып. 118. С. 13-18.

52. Жадан В.Т., Берковский B.C., Брюхов А.Н. Математическая модель процесса формоизменения при прокатке сортовых профилей // Известия вузов. Черная металлургия. 1978. № 11. С. 25-27.

53. Применение конечно-элементного анализа к процессу прокатки в калибрах / Е.Н.Чумаченко, Н.Н.Машкова, С.А.Тулупов и др. // Вестник машиностроения. 1998. № 3. С. 556-563.

54. Моделирование процесса прокатки в калибрах / Е.Н.Чумаченко, Н.Н.Машкова, В.А.Чередников и др. // Известия вузов. Черная металлургия. 1996. № 11. С. 37-42.

55. Заверюха В.Н., Салганик В.М., Румянцев М.И. Решение задач теории пластичности методом тонких сечений и методом конечных элементов: Уч. пособие. Свердловск: Изд. УПИ, 1986. 58 с.

56. Воронцов A.JI. О целесообразности использования метода конечных элементов на примере учета прочностной неоднородности материала в расчетах процессов обработки давлением // Производство проката. 2002. № 2. С. 5-9.

57. Эффективность деформации сортовых профилей / С.А.Тулупов, Г.С.Гун, В.Д.Онискив и др. М.: Металлургия, 1990. 280 с.

58. Тулупов С.А. Матричный способ представления процесса формоизменения при прокатке в калибрах простой формы. Сообщение 2 // Известия вузов. Черная металлургия. 1990. № 2. С. 48-50.

59. Тулупов С.А., Тулупов О.Н. Матрично-статистическая модель формоизменения / Магнитогорск. горно-металлург. ин-т. Магнитогорск, 1988. Деп. в ин-те Черметинформация. №3/Д-1412

60. Тулупов С.А. Разработка математической модели формоизменения металла в вытяжных калибрах на базе векторно-матричного способа представления процесса II Краевые задачи: Межвуз. сб. научн. трудов. Пермь, 1988.

61. Мельцер В.В., Пышенков И.А. Матричный метод расчета профилирования валков станов кварто // Известия вузов. Черная металлургия. 1965. № 10. С. 94-100.

62. Тулупов С.А., Заверюха В.Н. Матричный способ представления профилей и формоизменения металла в процессах обработки металлов давлением // Известия вузов. Черная металлургия. 1989. № 9. С. 62-65.

63. Чекмарев А.П., Борисенко Г.П., Горбанев А.А. Уширение металла при прокатке в трехвалковых калибрах // Известия вузов. Черная металлургия. 1972. № 11. С. 80-83.

64. Минкин А.В., Ласкин А.В. Расчет калибровки трехвалковых проволочных блоков // Черная металлургия: Бюл. НТИ. 1973. № 12. С. 45—48.

65. Бояршинов М.И., Поляков М.Г., Пацекин П.П. Применение многовалковых калибров при обработке металлов давлением // Обработка металлов давлением. Свердловск: Металлургиздат, 1962. С. 5-21.

66. Выдрин В.Н., Барков J1.A., Соловьев А.В. Геометрия прокатки в многовалковых калибрах // Известия вузов. Черная металлургия. 1970. № 6. С. 87-94.

67. Прокатка малопластичных металлов с многосторонним обжатием / Л.А.Барков, В.Н.Выдрин, В.В.Пастухов и др. Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1988. 304 с.

68. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургиздат, 1962. 495 с.

69. Протасов А.А Калибровка прокатных валков. М.: Металлургиздат, 1963. 330 с.

70. Чекмарев А.П., Нефедов А.А., Николаев В.А. Теория продольной прокатки. Харьков: Изд. Харьковского университета, 1965. 212 с.

71. Грудев А.П. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1988. 240 с.

72. Королев А.А. Механическое оборудование прокатных цехов. -М.: Металлургия, 1975. 548 с.

73. Хофф X., Даль Т. Прокатка и калибровка: Пер. с нем. М.: Металлургиздат, 1957.

74. Цоухар Г. Силовые воздействия при прокатке в вытяжных калибрах. -М.: Металлургиздат, 1963. 208 с.

75. Вусатовский 3. Основы прокатки. М.: Металлургия, 1967. 582 с.

76. Сравнительное исследование матричного и вариационного методов расчета усилия прокатки / Д.И.Кинзин, О.Н.Тулупов, Д.В.Колясов О.Н. // Материалы и технологии XXI века: Сб. тр. Всеросс. науч.-техн. конф. 4.2. Пенза 2001. С. 60-61.

77. Кинзин Д.И. Расчет полей контактных напряжений при прокатке в калибрах // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Сб. научн. тр. аспирантов и соискателей. -Магнитогорск: МГТУ, 2000. С. 142-151.

78. Тулупов О.Н., Кинзин Д.И. Расчет контактных напряжений при прокатке в калибрах // Электронный журнал «Исследователь», 1999. № 12.

79. Тулупов О.Н., Кинзин Д.И. Оценка распределенных характеристик на контактной поверхности при деформации в калибрах // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции. Новокузнецк, 1998.

80. Исследование температурного режима прокатки для уточнения методов оценки энергозатрат на штрипсовом стане / В.Г.Логинов, Р.Г.Загитов, Д.И.Кинзин, А.А.Завьялов. Деп. ВИНИТИ. 1998. № 992-98.

81. Кинзин Д.И. Формализованная запись закона наименьшего сопротивления // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», Пенза, 2001, С. 133.

82. Общая электротехника / А.Б.Блажкин, В.А.Бесекерский, Е.А.Фабрикант и др. Ленинград: Энергоатомиздат, 1986. 592 с.

83. Рабинович Э.А. Сборник задач и упражнений по общей электротехнике. -М.: Энергия, 1972. 312 с.

84. Кинзин Д.И. Расчет формоизменения металла при прокатке на основе закона наименьшего сопротивления // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы: получение и технологии обработки», Красноярск, 2001, С. 128.

85. Тулупов О.Н., Тулупов С.А., Рашников В.Ф. Матричные модели в оценке эффективности калибровки валков. -М.: 1996. 82 с.

86. Тулупов С.А. Применение адаптивных моделей формоизменения для совершенствования процесса сортовой прокатки. МГМИ: УДЭНТП. Челябинск, 1990.

87. Теория прокатки / А.И.Целиков, А.Д.Томленов, В.И.Зюзин и др. -М.: Металлургия, 1982. 335 с.

88. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

89. Прокатное производство / П.И.Полухин, Н.М.Федосов и др. М.: Металлургия, 1982. 695 с.