автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии прокатки сортовых заготовок прямоугольного сечения на основе выбора рациональных систем калибров

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

□ОЗ165355

КАНДАУРОВ ЕВГЕНИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОКАТКИ СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК НА ОСНОВЕ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Специальность 05 03 05 -Технологии и машины обработки давлением (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент

Белан Анатолий Кириллович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор

Шеркунов Виктор Георгиевич

кандидат технических наук, профессор

Харитонов Вениамин Александрович

Ведущая организация - ОАО «Магнитогорский Гипромез»,

г Магнитогорск

Защита состоится 3 апреля 2008 года в 15 00 на заседании диссертационного совета Д 212 111 03 при ГОУ ВПО «МГТУ» по адресу 455000, г Магнитогорск, пр Ленина, 38, ГОУ ВПО «МГТУ», малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ»

Автореферат разослан 29 февраля 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю В Жиркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности производства является стратегической задачей черной металлургии Такая задача требует непрерывного совершенствования технологических процессов и оборудования для повышения качества готовой продукции и снижения затрат на основе создания новых технических и технологических решений

Обычно прокатка заготовок осуществляется в ящичных калибрах, традиционно применяемых в черновых клетях сортовых станов Эти калибры обладают известными достоинствами и обеспечивают достаточно высокое качество металла В то же время ящичные калибры обладают и рядом существенных недостатков, наличие которых вызывает необходимость совершенствования их конструкций, а также поиска новых, альтернативных способов прокатки сортовых заготовок, позволяющих повысить не только качество производимого металла, но и эффективность производства проката в целом

Одним из перспективных способов повышения эффективности производства сортового проката является применение технологии бескалибровой прокатки (БКП) в черновых и промежуточных клетях сортовых станов Однако применение способа БКП не всегда оправдано и даже невозможно как из-за особенностей конструкции сортового стана, так и вследствие потери устойчивости полос из-за износа сменных деталей валковой арматуры

Все вышесказанное говорит о том, что существует объективная необходимость отыскания критериев, позволяющих на основе количественных оценок осуществлять научно-обоснованный выбор той или иной схемы прокатки, обеспечивающей максимальную эффективность производства проката Решение такой задачи позволяет проектировать рациональные схемы прокатки заготовок и является актуальным для новых и действующих сортовых станов

Целью работы является повышение эффективности производства сортовых заготовок прямоугольного сечения Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

1 На основе теории упругопластической устойчивости пластин разработать модели устойчивости высоких полос и методику определения критических усилий, вызывающих

искажение формы их поперечных сечений при различных способах деформирования

2 Провести экспериментальные исследования устойчивости высоких полос при различных способах прокатки для оценки результатов теоретических исследований и уточнения значений коэффициентов, характеризующих способ прокатки

3 Разработать методику выбора наиболее эффективного способа прокатки высоких полос

4 На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработать промышленные калибровки для прокатки заготовок на современных сортовых станах, обеспечивающие максимальную эффективность производства готовой продукции

Научная новизна.

- разработаны модели соосного и несоосного нагружения высоких полос, на основе которых получены формулы для расчета критических усилий, вызывающих потерю устойчивости при прокатке в ящичных калибрах различной конструкции и в гладких валках,

- получены аналитические зависимости, - устанавливающие взаимосвязь прогибов сечений прокатываемых полос от эксцентриситета приложения деформирующего усилия, его критического значения, коэффициента трения и показателя формы поперечного сечения,

экспериментально определены значения показателей, характеризующих способ прокатки,

- разработана методика выбора рациональных схем прокатки сортовых заготовок

Практическая ценность и реализация работы в промышленности.

- на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан алгоритм выбора наиболее эффективного способа прокатки заготовок, реализованный при разработке режимов прокатки заготовок в черновых клетях станов 370 и 170 ОАО «ММК»,

- разработана конструкция ящичного калибра, защищенного Патентом РФ на полезную модель № 40227, применение которого обеспечивает более высокую вытяжную способность и повышенную устойчивость прокатываемых полос в сравнении с ящичными калибрами традиционной конструкции,

- разработаны и приняты к промышленному использованию новые калибровки черновых групп клетей станов 370 и 170 сортового

цеха ОАО «ММК» Суммарный ожидаемый экономический эффект составляет более 3 млн руб

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на шестом (Липецк, 2005 г) и седьмом (Москва, 2007 г) конгрессах прокатчиков, на практическом семинаре (МИСиС, Москва, 2003 г) 63-й, 64-й, 65-й научно-технической конференциях по итогам научно-исследовательских работах МГТУ им Г И Носова за 2005-2007 г г

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях, в том числе монографии и патенте РФ на полезную модель

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 113 наименований, приложения на 3 листах, содержит 124 страницы машинописного текста, 40 рисунков, 19 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, ее теоретическая и практическая значимость

В первой главе диссертации проанализирована проблема повышения эффективности прокатки заготовок в черновых клетях сортовых станов Выполнен анализ достоинств и недостатков прокатки заготовок в ящичных калибрах Показано, что за рубежом (как и в нашей стране) для прокатки заготовок достаточно давно применяют бескалибровую прокатку

Наличие достоинств и недостатков различных способов прокатки заготовок затрудняет их научно-обоснованный выбор при решении задачи повышения эффективности производства сортового проката, поскольку отсутствуют количественные критерии, характеризующие особенности деформирования металла в каждом из них Решение указанной задачи можно осуществить на основе оценки устойчивости высоких полос, прокатываемых тем или иным способом В работе рассмотрены виды и причины потери устойчивости высоких полос при прокатке, проанализированы результаты исследований А Ф Головина, А П Чекмарева, Б В Мерекина, М И Бояршинова, Н Ф Грицука, В Н Выдрина, В К Смирнова, М М Штернова, И Я Тарновского, В А Паршина и др

Потерю устойчивости полос при прокатке можно исследовать методами теории устойчивости упругих стержней и пластин Такой подход использовали М И Бояршинов, Ю М

Чижиков, В Г Ламинцев, В Н Заверюха, П П Нижник и др при анализе устойчивости широких листов Для решения задач устойчивости широких полос возможно использование теории устойчивости пластин, напряжения в которых находятся в области упруго-пластических деформаций Исследованиям устойчивости пластин в указанной постановке посвящены работы Ф С Ясинского, Т Кармана, в которых наряду с модулем упругости

используются касательный Е и секущий Е модули

К с

пластичности Обоснование такого подхода выполнено в работах

А А Ильюшина, Л М Качанова, А С Вольмира, А Р Ржаницина,

АД Томленова, ГА Смирнова-Апяева, Э Томсена, В И Серова и

ДР

Однако на сегодняшний день отсутствуют методики, позволяющие использовать рассмотренный подход к оценке устойчивости высоких сортовых полос, прокатываемых различными способами, с учетом особенностей их деформирования в той или иной системе калибров Разработка такой методики требует проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований Решение указанной проблемы позволит осуществлять научно обоснованный выбор того или иного способа прокатки заготовок, что в конечном счете является одним из путей повышения эффективности производства сортового проката

Вторая глава посвящена разработке модели устойчивости высоких полос и методики определения критических усилий на основе теории упругопластической устойчивости пластин Рассмотрены варианты прокатки высоких полос в гладких валках, в ящичных калибрах традиционной конструкции и ящичных калибрах с увеличенным защемлением полосы стенками калибра, исключающим проворот полосы в калибре Прокатываемая полоса рассматривается как пластина, нагруженная в её плоскости усилиями по двум противоположным сторонам (рис1) Дифференциальное уравнение продольного изгиба для такой пластины имеет вид

г" " Л ~~4со л д4со д4со Ьст, д2а>

1 + V4 4<?с/

+ 2—7 + -Т- + —= (1)

ду4 дх2ду2 дх4 Ис ду

Е Е

где ср - ~-; <рс = —Ек, Ес и Е - соответственно Е Е

касательный модуль, секущий модуль и модуль упругости

прокатываемого материала (Ек ——); Вс ~ жесткость

с1е £

поперечного сечения раската.

£> =

си0

1211 - V"

(2)

где V - коэффициент Пуассона.

Ы

ь„

ь„

,у Р

\ < С'

1

Рис.1. Варианты потери устойчивости при прокатке высоких полос (а) и их расчетные схемы (б): 1 - в гладких валках; 2 - в ящичных калибрах; 3 - в ящичных калибрах с защемлением

Уравнение (1) вместе с граничными условиями является исходным для решения частных задач Принимая во внимание, что <7 = су = с и полагая, что величина прогиба О) не зависит от

координаты х, получим

L+lïi

4 4 <pt

\

Ô4Û) Ъп<7 ô2co

с /

ду Dc д)/

= 0

Обозначив

К2 =

Ь0О-

(л -> ^

4 4 срс

D.

(3)

(4)

получили

dû)4

+ К'

d2a)

= 0

(5)

dy4 d2y

Решение этого уравнения можно записать в виде

а> = A cos К у + В sm К у + Су+ D Коэффициенты этого уравнения А, В, С и D исходя из граничных условий, которые, в свою определяются схемой прокатки Решая уравнение (3) граничных условий для каждой из рассматриваемых схем прокатки получили выражение для нормального критического контактного напряжения

4 4 <ре

ач> =

V

к2к

(6)

найдены, очередь, с учетом

(7)

где к - коэффициент, учитывающий схему прокатки Определены значения этого коэффициента к = 0,25 - для прокатки в гладких валках, к = 1,0 - для прокатки в ящичных калибрах, к= 4,0 - для прокатки в ящичных калибрах с защемлением

Из выражения (7) следует, что критическое напряжение (напряжение, при котором наступает потеря устойчивости) при прокатке в гладких валках в четыре раза меньше, чем при прокатке в калибрах и в 16 раз меньше, чем при прокатке в калибрах с защемлением

Приняв, что нормальное контактное напряжение <з является переменным по длине очага деформации, и уравнение

(7) определяет его значения для некоторого элемента длиной сУх, шириной Ьх и высотой Лх (рис.2) и полагая, что ширина полосы вдоль очага деформации равна ее среднему значению, т.е. Ьх = Ьср, получили выражение для определения критического усилия прокатки

Л „2

К-ГТ-- (8)

4 4 <ре) 9 "ЛД

Из этого выражения следует, что критическое усилие, также как и нормальное критическое контактное напряжение,

зависит от схемы прокатки. Зная величину Ркр, можно выбрать

наиболее рациональную схему прокатки, определяя тем самым области применения бескалибровой прокатки и прокатки в том или ином виде ящичных калибров.

Получены аналитические зависимости (9) - (11), связывающие между собой несоосность (эксцентриситет приложения усилия е) нагружения полосы во время прокатки е/ко и прогиб ее поперечного сечения /после прокатки, величину

коэффициента трения /л и отношение Р/Рлрдля каждого из

рассмотренных способов деформирования

Анализ этих зависимостей показывает, что при несоосном нагружении прогиб возникает даже при малых значениях Р /Ркр равных 0,1 - 0,2 Установлено, что для указанных значений прогибов величина отношения РI Ркр не должна превышать 0,8 -

при прокатке в гладких валках, 0,7 - при прокатке в ящичных калибрах, 0,6 — при прокатке в ящичных калибрах с защемлением

При прокатке в гладких валках

г \ Г

/ = е

эт-

х

ч>

ж Р

2\Р

кр у

О)

При прокатке в ящичном калибре

/ = е

ж I Р

СОБ —

2 А| Р,

— 1

кр

(10)

При прокатке в ящичном калибре с защемлением

ж

.-Л

кр

кр

(11)

Результаты проведенных исследований говорят о том, что выбор условий прокатки, определяемых той или иной расчетной

схемой потери устойчивости, не оказывают существенного влияния на качественный характер полученных зависимостей и имеют для всех трех схем однотипный характер. Следовательно, отношение Р /Р может служить критерием осуществимости той

или иной схемы прокатки.

В результате проведенных исследований разработана новая конструкция ящичного калибра (рис. 3), обеспечивающего высокую устойчивость прокатываемой полосы и исключающего ее поворот. Конструкция калибра защищена Патентом РФ на полезную модель №40227.

Рис. 3. Вытяжной ящичный калибр с повышенной устойчивостью

полосы

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования формоизменения и определения критических усилий при прокатке высоких полос. Исследование проводили в интервале безразмерных значений

технологических факторов: Ь01Ь0, равном 1,2 - 1,8; Д/г/А0, равном 0,1 - 0,4; -£>/А0, равном 6,0 - 9,0, характерных для

прокатки заготовок в черновых клетях сортовых станов. Свинцовые образцы прокатывали в ящичных калибрах, ящичных калибрах с защемлением (по Патенту № 40227) и в гладких валках на лабораторном стане 130/180 кафедры «Механическое

оборудование металлургических заводов» ГОУ ВПО «МГТУ им Г И Носова»

В каждом опыте прокатывали по три свинцовых образца По результатам измерений определяли значения функции отклика - отношение большей диагонали сечения образца после прокатки к его меньшей диагонали а!г/ с12 Кроме того, для сравнительного анализа трех схем прокатки рассчитывали вытяжку Я, абсолютное Л/г и относительное обжатие А/г//г0> уширение ДЬи показатель

уширения А Ы Ак Полученные в результате эксперимента данные обрабатывали методом дисперсионного анализа Относительная погрешность при сравнении средних значений функций отклика с результатами каждого из трех повторных опытов не превышает 15 - 20%

В результате экспериментальных исследований установлено, что в выбранном интервале варьирования факторов

- показатель перекоса сечения полосы, прокатываемой в ящичном калибре с защемлением, изменяется в пределах 1,0-1,035, в ящичном калибре - в пределах 1,017-1,049, в гладких валках - в пределах 1,025-1,137,

- значения вытяжек Я в ящичном калибре с защемлением находятся в интервале значений 1,075-1,39, в ящичном калибре этот интервал составляет 1,05-1,36, в гладких валках - 1,02-1,26,

- значения показателей уширения АЫЫг составляют соответственно 0,41-0,23, 0,44-0,32, 0,55-0,23

Определены условия возникновения критических усилий, ведущих к потере устойчивости высоких полос при различных способах деформирования

- для прокатки полос в ящичном калибре с защемлением -при к01Ь0, равном 2,4 и обжатии 40%,

- для прокатки полос в ящичном калибре - при к0!Ьй, равном 1,8 и обжатии 25,9%,

- для гладких валков - при к01Ь0, равном 1,2 и обжатии

9,7%

Результаты лабораторных исследований были использованы для уточнения коэффициентов к в формуле (7), величина которых определяет ту или иную схему прокатки заготовок Расчет коэффициентов к, для значений критических

усилий, соответствующих критическим условиям для каждой схемы прокатки производили по уравнению (8) Величину предела текучести свинца для конкретных условий деформирования определяли по уравнению, полученному аппроксимаций кривой упрочнения Ошибка аппроксимации не превышает 1,5% Значения секущего и касательного модулей для свинца рассчитанных соответственно по формулам (12) и (13), приведены в табл 1

сг

Е, = —= 28<?

-0,786

с

£

-- -0,786

(12)

/7 /Г„-и,/8С>

Ек= — = б£ (13)

ае

Таблица

Расчетные значения Ек,Ес,к

Тип калибра Ек. МПа Ее. МПа к

Гладкая бочка 175,2 37,5 0,3

Гладкая бочка с удерживающей арматурой 120,7 25,1 1,4

Ящичный 82,0 17,6 1,6

Ящичный с защемлением 57,5 12,3 3,0

Кроме того, опыт бескалибровой прокатки на ОАО «БМК» позволил установить значение коэффициента к для прокатки на гладкой бочке с удерживающей арматурой, которое составило 1,4 Полученные значения этих коэффициентов были использованы при разработке методики выбора рациональных схем сортовой прокатки заготовок

В четвертой главе разработана методика выбора рационального способа прокатки сортовых заготовок Проанализированы формулы для расчета сопротивления

деформации с использованием термомеханических коэффициентов В И Зюзина, степенной зависимости Г А Смирнова-Аляева, эмпирической формулы А И Целикова, формулы Л В Андреюка и Г Г Тюленева На примере расчета для сталей СтЗ и 45 показано, что значения сопротивления деформации, касательного и секущего модулей деформируемого материала, рассчитанные по этим формулам, при различных значениях термомеханических параметров, практически одинаковы Определены значения Ек и Ес для сталей СтЗ и 45

при ¿ = 1000° С и U = \c~1b интервале изменения обжатий 0,10,5 Это дает возможность использования выражений для касательного и секущего модулей для расчета критических усилий при разработке и совершенствованию калибровок сортовых станов

Полученные уравнения для определения критических усилий, а также формулы для расчета стрелы прогиба при различных способах сортовой прокатки и формулы для определения касательного и секущего модулей положены в основу алгоритма выбора рациональных схем сортовой прокатки (рис 4) Алгоритм построен по циклическому принципу В нем организованы два цикла цикл по каждой рабочей клети (цикл по г), в котором рассчитываются сопротивление деформации, коэффициент трения, касательный и секущий модули Внутри первого цикла организован цикл по каждой из возможных схем сортовой прокатки (цикл по j) В этом цикле рассчитываются полные и критические усилия прокатки

Основным критерием для выбора рационального способа

прокатки является отношение Р1Рур, величина которого лежит в

интервале значений 0,7 - 0,8

С использованием разработанного алгоритма выполнен анализ режимов прокатки заготовки сечением 92 х 96 мм из заготовки сечением 180 х 200 мм в гладких валках обжимной группы клетей стана 150 ОАО «БМК» Результаты анализа подтвердили возможность использования алгоритма критерия Р /Р для выбора рациональных схем прокатки и повышения

эффективности производства заготовок на современных сортовых станах

Рис 4 Блок-схема алгоритма выбора рациональных схем сортовой прокатки

В пятой главе приведены результаты промышленного опробования ящичного калибра с защемлением по Патенту РФ №40227 во второй клети стана 500 сортового цеха ОАО «ММК» Опробование проводили при прокатке полос с размерами сечений 180x20 мм, 110х 36 мм, 204х 19х 6 мм из заготовки 152х 170 мм по принятой на стане калибровке Опытная прокатка подтвердила высокую способность калибра по предотвращению потери устойчивости прокатываемых высоких полос, что позволяет рекомендовать его использование в черновых клетях сортовых станов

С использованием алгоритма для выбора рациональных схем прокатки, основанного на результатах теоретических и экспериментальных исследований, разработаны новые калибровки современных сортовых станов 370 и 170 ОАО «ММК» с преимущественным использованием гладких валков Даны рекомендации по применению новой валковой арматуры вместо существующей Новые калибровки практически полностью устраняют образование таких дефектов прокатного происхождения, как «лампас», «подрез» и др Проектные калибровки приняты к перспективному освоению на станах 370 и 170 ОАО «ММК» Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения новых калибровок на указанных станах составляет более 3 млн рублей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 С единых теоретических позиций на основе теории упруго-пластической устойчивости пластин разработаны модели устойчивости высоких полос при прокатке в гладких валках, ящичных калибрах традиционной конструкции и ящичных калибрах с повышенным защемлением при соосном и несоосном нагружении прокатываемых полос

2 Проведены теоретические исследования, позволившие установить взаимосвязь асимметрии нагружения полосы, искажения формы ее поперечного сечения, коэффициента трения и отношения усилия прокатки к критическому, вызывающему потерю устойчивости Установлено, что величина отношения Р1Ркр может служить критерием осуществимости

рассмотренных способов прокатки и составляет 0,7-0,8

3 Экспериментально определены значения коэффициента к, входящего в уравнение для расчета критической

силы при различных способах прокатки для ящичного калибра с защемлением к = 3,0, для ящичного калибра к = 1,6, для гладких валков к = 0,3, для прокатки в гладких валках с удерживающей арматурой к = 1,4

4 На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан алгоритм выбора рационального способа прокатки сортовых заготовок Алгоритм апробирован при анализе калибровок обжимной группы клетей стана 150 ОАО «БМК» Подтверждена возможность использования отношения Р /Php для выбора рациональных схем прокатки

5 На основе обобщения результатов исследования разработаны новые калибровки черновых групп клетей современных сортовых станов 370 и 170 ОАО «ММК» Разработанные калибровки приняты к перспективному освоению Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения калибровок составляет более 3 млн рублей

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Кандауров Е Л Определение критических усилий при прокатке высоких полос на сортовых станах [Текст]/ Белан А К, Кандауров ЕЛ // Процессы и оборудование металлургического производства Межрегион сб науч тр / Под ред Железкова О С - Магнитогорск, 2004 - С 109-114

2 Кандауров Е Л Оценка устойчивости высоких полос при сортовой прокатке [Текст]/ А К Белан, Е Л Кандауров, О П Ширяев, С Я Унру // Производство проката - 2005 -№11 -С 8-11 (Издание, рекомендованное ВАК)

3 Кандауров Е Л Выбор рационального способа прокатки высоких полос на сортовых станах на основе анализа устойчивости [Текст] / А К Белан, Е Л Кандауров, О П Ширяев, С Я Унру // Труды шестого Конгресса прокатчиков (Липецк, 18 - 21 октября 2005 г) - М , 2005 -С 209-514

4 Кандауров Е Л Метод определения рациональных схем прокатки высоких полос в черновых клетях сортовых станов [Текст]/ Белан А К, Кандауров Е Л Вестник МГТУ им Г И Носова - 2006 - №1 - С 34-37

5 Патент РФ на полезную модель №40227, МПКЗ В21Д 1/100 Вытяжной ящичный калибр для прокатки сортовых

профилей / А К Белан, Е Л Кандауров Заявл 05 05 2004, Опубл 10 09 04 Бюл №25 - С 45-47

Л Е Кандауров, А К Белан, Е Л Кандауров, С Я Унру / Устойчивость высоких полос прямоугольного сечения при сортовой прокатке Монография Магнитогорск, 2007, 139 стр

Кандауров Е Л Алгоритм выбора рациональных схем сортовой прокатки на основе оценки устойчивости полосы в калибре [Текст]/ А К Белан, Е Л Кандауров, С Я Унру // Производство проката - 2007 - №9 - С 18-21 (Издание, рекомендованное ВАК)

Кандауров Е Л Выбор рационального способа прокатки высоких полос в черновых клетях сортовых станов [Текст]/ А К Белан, Е Л Кандауров, С Я Унру // Труды седьмого Конгресса прокатчиков (Москва, 15 - 18 октября 2007 г) -М , 2007 - С 605-608

Подписано в печать 20 02 08 Формат 60x84 1/16 Бумага тип № 1

Плоская печать Уел печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 173

455000, Магнитогорск, пр Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОКАТКИ ЗАГОТОВОК НА, СОРТОВЫХ СТАНАХ.

1.1. Особенности, прокатки заготовок в ящичных калибрах.

1.2. Прокатка сортовых заготовок в гладких валках.

1.3. Виды и причины потери устойчивости высоких полос при прокатке.

1.41 Модели устойчивости высоких полос при прокатке.

1.5. Оценка^ устойчивости прокатываемых полос на основе теории устойчивости пластин.

1.6. Выводы.1.

1.7. Цель и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫСОКИХ ПОЛОС НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАСТИН.

2.1. Определение критических усилий при прокатке высоких полос.

2.2. Определение максимальной стрелы прогиба сечения полосы при несоосном приложении нагрузки (прокатка в гладких валках).

2.3. Определение максимальной стрелы прогиба сечения полосы при несоосном приложении нагрузки (прокатка в ящичном калибре)

2.4. Определение максимальной стрелы прогиба.сечения полосы при несоосном приложении нагрузки (прокатка в ящичном калибре с защемлением).

2.5. Анализ полученных1 результатов.

2.6. Разработка новой конструкции ящичного калибра.

2.7. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ УСИЛИЙ ПРИ ПРОКАТКЕ ВЫСОКИХ ПОЛОС.

3.1. Исследование зависимости перекоса сечений образцов от технологических факторов при различных способах прокатки.

3.1.1. Образцы и оборудование для исследования.

3.1.2. Методика проведения эксперимента.

3.1.3. Обработка результатов исследования.

3.1.4.'Анализ результатов исследования.

3.2. Определение коэффициентов, характеризующих схему прокатки.

3.3. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ

СХЕМ ПРОКАТКИ СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК.

4.1. Определение касательного и секущего модулей пластичности.

4.2. Разработка алгоритма выбора рациональных схем сортовой прокатки заготовок.

4.3. Пример использования алгоритма для выбора рационального способа прокатки заготовок.

4.4. Выводы.

5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Промышленное опробование ящичного калибра с защемлением.

5.2. Разработка рациональных режимов прокатки заготовок для станов 370 и 170 ОАО «ММК».

5.2.1. Назначение и характеристика стана

5.2.2. Калибровка и режимы бескалибровой прокатки заготовок для стана

5.2.3. Назначение и характеристика стана 170.

5.2.4. Калибровка и рациональные режимы прокатки заготовок для стана 170.

5.3. Оценка экономической эффективности разработанных калибровок.

5.4. Выводы.:.Ill

Повышение эффективности производства является стратегической задачей черной металлургии. Такая задача требует непрерывного совершенствования технологических процессов для повышения качества готовой продукции и снижения затрат на основе создания новых технических и технологических решений.

Обычно прокатка заготовок осуществляется в ящичных калибрах, традиционно применяемых в черновых клетях сортовых станов. Эти калибры обладают известными достоинствами и обеспечивают достаточно высокое качество металла. В то же время, ящичные калибры обладают и рядом существенных недостатков, наличие которых вызывает необходимость совершенствования их конструкций, а также поиска новых, альтернативных способов прокатки сортовых заготовок, позволяющих повысить не только качество производимого металла, но и эффективность производства проката в целом.

Одним из перспективных способов повышения эффективности производства сортового проката является применение технологии бескалибровой прокатки (БКП) в чёрновых и промежуточных клетях сортовых станов. В Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И.Носова разработаны теоретические основы способа бескалибровой прокатки, различные конструкции специальной валковой арматуры. В то же время применение способа БКП не всегда оправдано и даже невозможно как из-за особенностей конструкции сортового стана, так и из-за повышенного износа сменных деталей валковой арматуры.

Все вышесказанное говорит о том, что существует объективная необходимость отыскания критериев, позволяющих на основе количественных оценок осуществлять научно-обоснованный выбор того или иного способа прокатки, обеспечивающего максимальную эффективность производства проката. Решение такой задачи позволит проектировать рациональные схемы прокатки заготовок и является актуальным как для новых сортовых станов, так и для действующих станов. Такие критерии могут быть созданы, если за основу сравнительной оценки различных способов прокатки принять устойчивость высоких полос при их деформировании в ребровых проходах. Именно устойчивость высоких полос является одним из ограничивающих факторов при разработке режимов прокатки заготовок.

Решение указанной проблемы может быть реализовано, если за основу количественной оценки устойчивости высоких полос принять величину критического усилия прокатки, вызывающего искажение их формы поперечного сечения. Однако использование такого подхода к оценке устойчивости высоких полос при различных способах сортовой прокатки, требует учета и теоретического описания особенностей силового нагружения полос в каждом из них. Кроме того, требуют тщательной проработки-и вопросы методологии использования разработанных критериев для выбора наиболее эффективного способа прокатки.

Комплексному решению указанных вопросов посвящена данная работа, целью которой является повышение эффективности производства сортовых

V* заготовок прямоугольного сечения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе теории упругопластической устойчивости пластин разработать модели устойчивости высоких полос и методику определения критических усилий, ведущих к искажению формы их поперечных сечений при различных способах деформирования.

2. Провести экспериментальные исследования устойчивости высоких полос при различных способах прокатки для оценки результатов теоретических исследований и уточнения значений коэффициентов, характеризующих способ прокатки.

3. Разработать методику выбора наиболее эффективного способа прокатки высоких полос.

4. На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработать промышленные калибровки для прокатки заготовок на современных сортовых станах, обеспечивающие максимальную эффективность производства готовой продукции.

Краткое содержание глав диссертации.

В первой главе выполнен анализ достоинств и недостатков прокатки заготовок в ящичных калибрах. Показаны преимущества бескалибровой прокатки заготовок. Рассмотрены различные подходы к оценке устойчивости высоких полос. Проанализированы методики оценки устойчивости полос на основе теории упругопластической устойчивости пластин. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе на основе решения дифференциального уравнения продольного изгиба пластины за пределом упругости (с учетом касательного и секущего модулей пластичности) получено выражение для определения критического усилия вызывающего прогиб сечения полосы, прокатываемой в гладких валках, ящичных калибрах традиционной и разработанной автором конструкции. Величина критического усилия зависит не только от технологических факторов, но и значения коэффициента , характеризующего схему прокатки. Таким образом, зная величину критического усилия можно выбрать наиболее рациональную по устойчивости схему прокатки.

Теоретический анализ зависимостей относительных прогибов сечений от эксцентриситета приложения нагрузки и коэффициента трения на контакте полосы с валками позволил определить значения допустимых соотношений критического усилия и усилия прокатки для каждой из рассмотренных схем деформирования.

В третьей главе выполнено экспериментальное исследование в лабораторных условиях зависимости перекосов сечений свинцовых образцов от технологических факторов при различных способах прокатки. Уточнены значения коэффициентов, характеризующих схему прокатки.

В четвертой главе на основе полученных ранее формул для расчета критических усилий, прогибов сечений полос при различных способах прокатки, касательного и секущего модулей пластичности разработан алгоритм выбора рациональных схем сортовой прокатки. Алгоритм позволяет осуществлять выбор рациональных схем прокатки на основе количественных данных о соотношениях полного усилия прокатки и критического усилия, вызывающего потерю устойчивости полосы. Проведенная апробация алгоритма при анализе калибровок обжимной группы клетей стана 150 ОАО «БМК» подтвердила возможность его использования для выбора рациональных схем прокатки и повышения эффективности производства заготовок на сортовых станах.

В пятой главе приведены результаты промышленного опробования ящичного калибра новой конструкции. С использованием разработанного алгоритма разработаны новые калибровки черновых клетей современных сортовых станов 370 и 170 ОАО «ММК». Суммарный ожидаемый годовой экономический эффект составляет более 3 млн. рублей.

Работа выполнена на кафедре прикладной механики, графики, проектирования технических и технологических систем Магнитогорского технического университета им. Г.И. Носова.

Автор благодарен за помощь в организации и проведении исследований, оформлении рукописи: канд. техн. наук Н.Ш. Тютерякову, старшему преподавателю A.B. Коковихину, инженеру Т.Г. Демченко.

5.4. Выводы

1. Промышленное опробование на стане 500 ОАО «ММК» ящичного калибра новой конструкции по Патенту РФ на полезную модель №40227 подтвердило его высокую способность по предотвращению потери устойчивости прокатываемых высоких полос, что позволяет рекомендовать его использование в черновых клетях сортовых станов.

2. С использованием разработанного алгоритма для выбора рациональных схем прокатки, основанного на результатах теоретических и экспериментальных исследований, разработаны новые калибровки, современных сортовых станов 370 и 170 ОАО «ММК» с преимущественным использованием гладких валков. Проработаны вопросы использования различных типов валковой арматуры для реализации новых калибровок.

Новые калибровки практически полностью устраняют образование таких дефектов прокатного происхождения, как «лампас», «подрез» и др. Проектные калибровки приняты к перспективному освоению на станах 370 и 170 ОАО «ММК».

3. Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения новых калибровок на указанных станах составляет более 3 млн. рублей.

112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С единых теоретических позиций на основе теории упруго-пластической устойчивости пластин разработаны модели устойчивости высоких полос при прокатке в гладких валках, ящичных калибрах традиционной конструкции и ящичных калибрах с повышенным защемлением при соосном и несоосном нагружении прокатываемых полос.

2. Проведены теоретические исследования, позволившие установить взаимосвязь несоосного нагружения полосы, искажения формы ее поперечного сечения, коэффициента трения и отношения усилия прокатки к критическому, вызывающему потерю устойчивости. Установлено, что величина отношения Р/Ркр может служить критерием осуществимости рассмотренных способов прокатки и составляет 0,6-0,8.

3. Экспериментально определены значения коэффициента к, входящего в уравнение для расчета критической силы при различных способах прокатки: для ящичного калибра с защемлением & = 3,0; для ящичного калибра к = 1,6; для гладких валков к = 0,3; для- прокатки в гладких валках с удерживающей арматурой к = 1,4.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан алгоритм выбора рациональных схем прокатки сортовых заготовок. Алгоритм апробирован при анализе калибровок обжимной группы клетей стана 150 ОАО «БМК». Подтверждена возможность использования отношения Р/Ркр для выбора рациональных схем прокатки.

5. На основе обобщения результатов исследования разработаны новые калибровки черновых групп клетей современных сортовых станов 370 и 170 ОАО «ММК» для прокатки заготовок. Разработанные калибровки приняты к перспективному освоению. Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения калибровок составляет более 3 млн. рублей.

1. Бахтинов Б.П., Штернов М.М. Калибровка прокатных валков. — М.: ГНТИ, 1953.-784 с.

2. Литовченко Н.В., Диомидов Б.Б., Курдюмова В.А. Калибровка валков сортовых станов. -М.: Металлургиздат, 1964. 638 с.

3. Чекмарёв А.П., Мутьев М.С., Машковцев P.A. Калибровка прокатных валков. — М.: Металлургия, 1971. 509 с.

4. Головин А.Ф. Прокатка. Ч. III // ОНТИ. 1936. - 219 с.

5. Минкин A.B. Расчёт систем вытяжных калибров. М.: Металлургия, 1989.- 208 с.

6. Увеличение срока службы валков при бескалибровой прокатке / Л.Е.Кандауров, Б.А.Никифоров, А.А.Макарчук и др.// Сталь. 1991. — №■• ' 1.-С. 54-55.

7. Технологические и силовые резервы прокатных станов / В.М.Клименко, > В.И.Погоржельский, В.С.Горелых, Л.В.Коновалов. М.: Металлургия. 1976.-240 с.

8. Чекмарёв А.П., Николаев В.А. Условия захвата при прокатке в калибрах // Изв. Вузов. Чёрная металлургия. 1958. - № 11. - С. 77 - 85.

9. Павлов И.М. Теория прокатки и основы пластической деформации металлов. -М.: ГОНТИ, 1938. 514 с.

10. Виноградов А.П. Калибровка прокатных валков. М.; Л.: Металлургиздат, 1950.-344 с.

11. И. Чекмарёв А.П., Санько Н.М. Опережение при прокатке в калибрах. Вып. 39 // Обработка металлов давлением: Науч. тр. -Харьков: ГНТИ, i960: — С. 127-151.

12. Динник A.A. Влияние ширины полосы и формы калибра на давление металла на валки // Науч. тр. Ин-та чёрной металлургии АН УССР. -Днепропетровск, 1957. С. 275 - 285.

13. Клименко В.М. Давление и расход энергии при прокатке с защемлением // Современные достижения прокатного производства: Тр. межвуз. науч.-техн. конф. Л., 1958. - С. 95-102.

14. Клименко В.М. Давление и расход энергии при прокатке с защемлением // Науч. тр. Ин-та чёрной металлургии АН УССР. — Днепропетровск, 1957. — С. 84-88.

15. Шулаев И.П. Конструирование прямоугольных калибров // Металлург. — 1961.-№4.-С. 26-28.

16. Шулаев И.П. Выпуск в прямоугольном калибре // Металлург. 1961. - № 5.-С. 23-24.

17. Шулаев И.П. Калибровка валков непрерывно-заготовочного стана 700/500 // Сталь. 1959. -№ 11. - С. 1004- 1006.

18. Пат. 2165807 РФ, МПК7 В21В1/00. Вытяжной ящичный калибр / Н.С. Кузнецов, A.A. Сафронов, В.А. Сапрыкин и др. РФ. № 99103458/02; Заявл. 22.02.1999; Опубл. 12.04.2000. - Бюл. № 12. - С. 385.

19. Пат. 2152276 РФ, МПК7 В21В1/00. Ящичный калибр для прокатки заготовок / H.A. Шарапов, В.В. Дорофеев, B.C. Марамзин и др. (РФ). № 97122273/02; Заявл. 30.12.1997; Опубл. 10.07.2000.-Бюл. № 19.-С. 417.

20. Янадзава Т. Разработка метода бескалибровой прокатки // Кавасаки Сэйтецу Гихо. 1982: - Т. 14. - № 9. - С. 85 - 94.

21. Применение бескалибровой прокатки на заготовочных станах/ Т. Янадзава, Т. Танака, Т. Морита и др. // Transactions of the iron and steel institute of Japan. 1982. - V. 22. - № 3. - P. 55-59.

22. Применение бескалибровой прокатки на сортовых станах / Т. Янадзава, Т. Танака, Т. Хосидзима и др. // Transactions of the iron- and steel institute of Japan. 1982. - V. 22. - № 12. - P. 381-386:

23. Development of Grovelless Rolling / T. Janazawa, T. Tanaka, A. Nodà // Transactions of theironiandisteeKinstitute of Japan; 1983. - V. 23. - № 8. - P; 710-715. ;.,'. . '

24. Development' of Grovelless Rolling / T; Janazawa, T. Tanaka, N. Hirai, K. Aoyama// Iron and steel; Engineer. -1984. V. 61.-№ 8.-P. 25-30.

25. Hitenprax E. Прокатка заготовок на гладких валках. // Metallweiter verarb. — 1984. V. 22. - № 5. - P. 549-550.

26. Опыт прокатки заготовок на гладкой бочке / Ф. Флеминг, Р. Куне и. др. // Металлургическое производство и теория металлургических процессов. — 1993.-№2.- С. 98-102. ;

27. Пат. 1434454 Великобритания, МКИ В21В1/18. Прокатка- прутка. № 31315/74; Заявл. 15.07.74; Опубл. 5.05.76.

28. Пат. 333230 Австрия, МКИ В- 21В01/16. Способ прокатки пруткового металла.-№9332/74; Заявл-. 28.11.74; Опубл-. 10:1 Г.76.

29. Пат. 578381 Швейцария, МКИ В22В1/12. Способа изготовления! прутков с помощью прокатки. № 15793/74; Заявл. 28Л 1.74; Опубл. 13.03.76.

30. Бескалибровая прокатка сортовых профилей / JI.E. Кандауров, Б.А. Никифоров, А.А. Морозов, А.К. Белан, Е.А. Евтеев. Магнитогорск: Магнитогорский дом печати, 1998. - 128 с.

31. A.c. 1736647 СССР, МКИ4 В21В1/02. Способ прокатки на непрерывных станах / Г.Ф. Онушкевич, М.Д. Куцигин, В.И. Назаренко и др. (СССР). — № 4815625/27; Заявл. 22.01.90; Опубл. 30.05.1992. -Бюл. № 20. С.42.

32. Пат. 2074547 РФ, МПК5 В21В1/12. Способ горячей прокатки сортовых профилей прямоугольного сечения / Б.А. Никифоров, Л.Е. Кандауров, А.К. Белан и др. (РФ) № 94045330/02; Заявл. 27.12.94; Опубл. 27.02.97. - Бюл. №6.-С. 245.

33. A.c. 1424897 СССР, МКИ5 В21В39/16. Проводковая. арматура / К.Г. Шиколенко, Ф.С. Дубинский, A.C. Федосеенко (СССР). №4169288/31 -02; Заявл. 24.12.86; Опубл. 23.09.88. - Бюл. № 35. - С. 32.

34. A.c. 1435351 СССР, МКИ4 В21В39/16. Вводная проводковая арматура / Б.А. Никифоров, A.A. Макарчук, Л.Е. Кандауров и др. (СССР). № 4150200/31-02; Заявл. 24.11.86; Опубл. 07.11.88.-Бюл. №41.г-С. 39.

35. A.c. 1574305 СССР, МКИ? В21В39/16. Вводная проводковая арматура / Л.Е. Кандауров, A.A. Макарчук, В;А. Масленников и др. (СССР). № ■ 4470323/31 - 02; Заявл. 02.08.88; Опубл. 30.06.90. - Бюл. № 24. - С. 265 27.

36. Свидетельство РФ на полезную модель 11112, МКИ6 В21В39/14. Валковая1.арматура для бескалибровой прокатки сортовых профилей / Л.Е.

37. Кандауров, А.К. Белан, Л.Г. Утяганов и др. (РФ); № 99104957/20; Заявл.i , 09.03.99; Опубл. 16.09i99. Бюл. № 9. - С. 44.1

38. Анализ влияния технологических факторов на сваливающий момент прибескалибровой прокатке / Б.А.Никифоров, Л.Е.Кандауров, А.К.Белан и др.f

39. Проблемы развития металлургии* Урала на рубеже XXI. века: Сб. науч.тр. Магнитогорск, 1996. - С. 89 - 95.f 42. Анализ устойчивости полосы при бескалибровой прокатке / Б.А.