Совершенствование технологии и разработка новых способов прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки

На правах рукописи

ДОРОФЕЕВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

И РАЗРАБОТКА НОВЫХ СПОСОБОВ

ПРОКАТКИ РЕЛЬСОВ ИЗ

НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ

Специальность 05.16.05 – Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новокузнецк, 2009

Работа выполнена на кафедре «Технология и автоматизация кузнечно-штамповочного производства» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ), г. Новокузнецк.

Научный руководитель: доктор технических наук

ЮРЬЕВ Алексей Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

БАЗАЙКИН Владимир Ильич

кандидат технических наук, доцент

ЖУРАВЛЕВ Борис Константинович

Ведущая организация: ОАО «Уральский институт металлов»,

г. Екатеринбург

Защита состоится «16» декабря 2009 г. в 12.00 часов в аудитории 3п на заседании диссертационного совета Д212.252.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова 42, ГОУ ВПО «СибГИУ» Факс: (3843) 465792; e-mail: kafkshp@sibsiu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан «16» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д212.252.01, д.т.н., профессор Нохрина О.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежная работа железных дорог Российской Федерации во многом связана с качеством и эксплуатационной стойкостью одного из основных элементов железнодорожного пути – рельсов. Широкий спектр требований, предъявляемых к железнодорожным рельсам в связи с увеличением интенсивности движения поездов, их скоростей и осевых нагрузок, требует совершенствования технологических процессов и внедрения новых технологий при производстве рельсов, обеспечивающих требуемые свойства и параметры профиля.

В настоящее время рельсовая сталь на ОАО «НКМК» выплавляется с использованием современных технологий, включающих плавку стали в дуговых электропечах и разливку на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Более широкие технологические возможности электросталеплавильных печей позволяют организовать производство рельсов улучшенного металлургического качества, в том числе предназначенных для эксплуатации в особо сложных условиях.

Большую роль в повышении качества и эксплуатационной стойкости железнодорожных рельсов играет прокатное производство. Оптимизация прокатки рельсов осуществляется внедрением эффективных технологических режимов прокатки с использованием теоретически обоснованных с применением моделирования технологий, применением технически совершенного оборудования. Прокатка высококачественных рельсов предусматривает точное выполнение профиля рельса, соблюдение заданных размеров и допусков на них, обеспечение необходимых прочностных свойств и макроструктуры, получение качественной поверхности. Кроме этого, тенденции развития технологии производства железнодорожных рельсов предполагают получение высокопрочных рельсов повышенной прямолинейности, особенно по концам рельса.

Однако структурные особенности непрерывнолитой заготовки предполагают изучение целого комплекса вопросов при ее использовании для производства рельсов.

Также необходимо отметить, что, несмотря на многочисленные меры, принимаемые для снижения концевой кривизны рельсов, эффективность их реализации явно недостаточна ввиду скрытого влияния ряда неучтенных факторов.

Таким образом, исследование формоизменения металла при прокатке, анализ калибровки, разработка и внедрение технологии прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки, а также установление физических и технологических факторов искривления рельсов в процессе прокатки является актуальной задачей, как в научном, так и в практическом плане.

Цель работы. Разработка и внедрение технологии прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки, обеспечивающей существенное повышение их качества, установление причин образования концевой кривизны рельсов после прокатки и способы их устранения.

Основные задачи.

1. Путем анализа полей скоростей течения металла при деформации в чистовом рельсовом калибре оптимизировать его положение в валках по силовым условиям.

2. Исследовать деформированное состояние металла при двусторонней и односторонней разрезке применительно к прокатке рельсов. Провести исследование формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.

3. Исследовать энергосиловые параметры и изменения макроструктуры непрерывнолитой заготовки при прокатке рельсов в черновых калибрах.

4. На основании проведенных исследований разработать и внедрить новую технологию прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.

5. Исследовать причины образования концевой кривизны рельсов при прокатке и разработать способы по ее устранению.

Методы выполнения работы. Обобщение отечественного и зарубежного опыта модернизации технологии прокатки железнодорожных рельсов; решение задач по теоретической оценке мощности деформации металла в чистовых рельсовых калибрах в зависимости от их расположения в валках на основе кинематически возможного поля скоростей; расчет остаточных напряжений по уравнениям, позволяющим оценить значения нормальных напряжений в рельсах после прокатки; лабораторные исследования формоизменения металла в калибрах; промышленные исследования энергосиловых параметров и влияние степени деформации на макроструктуру непрерывнолитой заготовки при прокатке рельсов в черновых калибрах; статические методы обработки данных.

Научная новизна.

1. Получены новые научные знания энергетических характеристик деформирования металла в чистовом двухвалковом рельсовом калибре в зависимости от его наклона в валках путем анализа полей скоростей течения металла.

2. Получены графики распределения высотной и поперечной деформации по сечению металла в ящичных и трапецеидальных калибрах применительно к прокатке рельсов Р65 с предварительной разрезкой заготовки в системе черновых калибров. Получены закономерности формоизменения осевой пористости в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.

3. Методом ультразвукового контроля исследовано изменение макроструктуры непрерывнолитой рельсовой заготовки при прокатке в черновых калибрах.

4. Разработаны методики определения размеров разрезных ручьев в черновых калибрах и размеров элементов чистового калибра для прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.

5. Методом расчета получена сравнительная оценка остаточных напряжений, действующих в рельсах после прокатки в чистовом двухвалковом и чистовом универсальном калибрах.

Достоверность результатов и выводы. Анализ деформации металла при прокатке рельсов базируется на фундаментальных положениях теории пластичности и подтверждается экспериментальными исследованиями и практическим внедрением в производство.

Практическая значимость.

1. Разработаны два новых способа прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки в черновых калибрах.

2. Разработан новый способ калибровки чистового рельсового калибра.

3. Разработана новая калибровка для прокатки железнодорожных рельсов из непрерывнолитой заготовки с уменьшенным уширением в рельсовых калибрах.

4. Разработана новая технология прокатки рельсов с использованием универсальных калибров.

Реализация результатов работы в промышленности. Новые усовершенствования прокатки железнодорожных рельсов из непрерывнолитой заготовки, разработанные по результатам проведенных исследований, внедрены на Новокузнецком металлургическом комбинате с годовой эффективностью 23,4 млн. руб./год.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Оптимизация процесса прокатки рельсов в чистовом рельсовом двухвалковом калибре по силовым условиям путем анализа полей скоростей течения металла.

2. Исследование деформированного состояния металла при двусторонней и односторонней разрезке применительно к прокатке рельсов. Исследование формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.

3. Энергосиловые параметры при прокатке литых и катаных заготовок, изменения макроструктуры непрерывнолитой заготовки при прокатке рельсов в черновых калибрах.

Разработка новой технологии прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.

4. Исследование причин образования концевой кривизны рельсов. Новая технология прокатки рельсов с использованием трехвалкового предчистового и четырехвалкового чистового универсальных калибров.

Личный вклад автора состоит в постановке и анализе решения задачи, оптимизации процесса прокатки рельсов на основе полей скоростей течения металла, в сравнительной оценке величин остаточных напряжений в рельсах после прокатки, в разработке новых способов прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки, проведении лабораторных экспериментов по исследованию формоизменения металла при деформации в калибрах, во внедрении результатов в производство.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III-ем (г. Липецк, 1999 г.) и IV-ом (г. Магнитогорск, 2001 г.) Конгрессах прокатчиков; на заседании рельсовой комиссии (г. Новокузнецк, 1999 – 2002 г.); на международном семинаре по обработке металлов давлением СибГИУ (г. Новокузнецк, 2001 – 2002 г.); межрегиональной конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Новокузнецк, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодость: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, 2008 г.).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 7 научных работах, в том числе в 2 статьях в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских и кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения.

Работа изложена на 194 страницах, содержит 70 рисунков, 31 таблицу, список используемой литературы из 133 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обоснована актуальность проведенного исследования, и дано краткое описание содержания глав диссертации.

1 Состояние вопроса и постановка задач исследования

В первой главе приведены обзор и способы прокатки рельсов. Приведены работы по исследованию деформации металла в калибрах, используемых при прокатке рельсов: ящичных, трапецеидальных и рельсовых.

Дан анализ теоретических исследований процессов пластической деформации на основе полей скоростей формоизменения металла.

Первые исследования процессов обработки металлов давлением на основе полей скоростей связаны с работами Шилда Р.Т., Друкера Д.С., Ходжа Р.Г., Хилла Р., Грина А.Р.. В последующем, этот подход получил название метода верхней оценки и использовался в работах отечественных и зарубежных авторов: Алюшина Ю.А., Томлёнова А.Д., Тарновского И.Я., Степанского Л.Г., Томсена Э., Янга Ч., Кобяши Ш., Кудо Х., Джонсона В..

Одним из эффективных путей улучшения качества прокатки является производство его из непрерывнолитых заготовок. В настоящее время хорошо изучены такие важные вопросы как минимальное обжатие непрерывнолитой заготовки для получения качественного проката, а также энергосиловые параметры прокатки фасонных профилей из литых заготовок.

Однако значительных исследований прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки в направлении изучения влияния схем калибровок, формы калибров, режимов обжатий заготовок в черновых калибрах на трансформацию осевой пористости в процессе деформации металла в калибрах не проводилось.

Известно, что главным при прокатке рельсов из непрерывнолитой заготовки является недопущение попадания осевой рыхлости и ликвационной зоны заготовки в головку и подошву рельса. Это связано с тем, что осевая ликвация и рыхлость в головке рельса являются концентраторами напряжений, которые возникают в процессе эксплуатации при циклических нагрузках рельса. В результате этого рельс преждевременно выходит из строя из-за недостаточной контактно-усталостной прочности металла. Дальнейшее совершенствование технологии прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки связано с повышением качества рельсов за счет увеличения смещения ликвационной зоны и осевой рыхлости заготовки в шейку рельса.

Анализ опубликованных работ показал, что одним из основных технологических факторов, определяющим прямолинейность рельсов, является режим прокатки. Искривление – результат упруго-пластических деформаций и вызывается несколькими условиями, одно из которых – неравномерность распределения пластической деформации при обработке металлов давлением и возникновением при этом остаточных напряжений.

Исследованию процессов формирования остаточного напряженно-деформированного состояния посвящено большое число работ: Полухина П.И., Скороходова А.Н., Поздеева А.А., Няшина Ю.И., Давиденкова Н.Н..

Применяемая на отечественных заводах технология прокатки рельсов в двухвалковых калибрах устарела и характеризуется рядом недостатков, основным из которых является большая неравномерность и разномерность деформации по элементам профиля. Устранение недостатков, присущих прокатке рельсов в двухвалковых калибрах, возможно при проведении прокатки рельсов в универсальных клетях.

По результатам обзора сделаны следующие выводы:

1. Прокатка рельсов на различных заводах проводится по технологии, имеющей две стадии формоизменения, которые включают формирование из прямоугольной полосы таврового профиля в подготовительных калибрах и окончательное формирование готового рельса в рельсовых калибрах. При этом форма и оптимальные параметры трапецеидальных и рельсовых калибров значительно различаются.

2. Деформированное состояние металла при прокатке рельсов изучено только на рельсах Р50 при прокатке их в ящичных и трапецеидальных калибрах, а также в тавровых и рельсовых калибрах при прокатке рельсов Р43 только из катаных заготовок.

3. Особенности прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки малоизученны.

4. Развитие технологии производства железнодорожных рельсов включает получение высокопрочных рельсов повышенной прямолинейности и с минимальным уровнем остаточных напряжений путем прокатки их в универсальных клетях. Однако влияние прокатки рельсового профиля в чистовом универсальном калибре на снижение остаточных напряжений в рельсах недостаточно исследовано.

В соответствии с поставленной целью и состоянием вопроса в работе поставлены следующие задачи:

1. Путем анализа полей скоростей течения металла при деформации в чистовом рельсовом калибре оптимизировать его положение в валках по силовым условиям.

2. Исследовать деформированное состояние металла при двусторонней и односторонней разрезке применительно к прокатке рельсов Р65. Провести исследование формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.

3. Исследовать энергосиловые параметры и изменения макроструктуры непрерывнолитой заготовки при прокатке рельсов в черновых калибрах.

4. На основании проведенных исследований разработать и внедрить новую технологию прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки.

5. Исследовать причины образования концевой кривизны рельсов после прокатки и разработать способы по ее устранению.

2 Оптимизация процесса прокатки рельсов на основе

полей скоростей течения металла

Во второй главе методом верхней оценки проведена оптимизация положения чистового двухвалкового калибра при прокатке рельсового профиля.

В данной работе использованы поля скоростей, состоящих из жестких областей, когда изменение скоростей внутри каждой области принимается постоянной (V=const, Se=0) и в качестве варьируемых параметров, оптимизирующих процесс деформации, принимают значения координат расположения областей и значения разрыва скоростей.

Мощность деформации в этом случае определяется как сумма мощностей, затраченных на преодоление сдвига между отдельными областями и сил трения на поверхностях контакта заготовки с инструментом: , где – пластическая постоянная равная пределу текучести материала на сдвиг; и – площадь поверхности разрыва и величина разрыва скорости между смежными областями i и j; и – площадь контактной поверхности разрыва и величина разрыва скорости на ней; – коэффициент пластического трения. При поступательном движении инструмента площадью поперечного сечения со скоростью это уравнение можно записать: , где – контактное давление при прокатке.

Учитывая, что для сравнительных вариантов точность расчета полной мощности не имеет принципиального значения и что доля энергии, затрачиваемая на удлинение заготовки, пропорциональна относительному изменению ее длины, а удлинение в чистовом рельсовом калибре составляет всего 7%, основные характеристики процесса деформации определялись по характеру формоизменения в плоскости перпендикулярной направлению удлинения заготовки. Таким образом, для оценки эффективности формоизменения в данной работе рассматривалась плоская задача, где площадь поперечного сечения инструмента и площадь поверхностей разрыва скоростей между смежными областями и контактной поверхностью инструмента заменяются шириной профиля калибра , и линиями разрыва поля скоростей в сечении калибра.

Деление зоны деформации чистового рельсового калибра на простые блоки для кинематически возможного поля скоростей представлено на рисунке 1.