Развитие теории и практики процессов калибровки и прокатки фланцевых профилей

На правах рукописи

Дорофеев Владимир Викторович

Развитие теории и практики процессов калибровки

и прокатки фланцевых профилей

Специальность 05.16.05 – Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новокузнецк, 2011

Работа выполнена на кафедре «Обработка металлов давлением и металловедение» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Перетятько Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Трусов Виталий Алексеевич

доктор технических наук, доцент

Темлянцев Михаил Викторович

доктор технических наук, профессор

Шилов Владислав Александрович

Ведущая организация: ОАО «Уральский институт металлов»

Защита состоится «30» марта 2012 г. в 1000 часов в аудитории 3п на заседании диссертационного совета Д212.252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова 42, факс: (3843) 465792; e-mail: ds21225201@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д212.252.01 Нохрина О.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Современная теория прокатки интенсивно развивается, опираясь на достижения математики, физики, механики сплошных сред, металловедения и других фундаментальных наук. Для решения численных задач и математического моделирования все более широко применяются компьютерные технологии. Выводы теории прокатки используют при разработке оптимальных режимов деформации, конструировании оборудования и проектировании калибровок прокатных валков.

Большой вклад в развитие и становление основ теории прокатки внесен трудами отечественных ученых: И.А. Тиме, Р.Р. Тонкова, Н.С. Верещагина, А.Ф. Родзевича-Белевича, С.Н. Петрова, В.Е. Грум-Гржимайло, А.Ф. Головина, А.П. Виноградова, И.М. Павлова, С.И. Губкина, А.И. Целикова, А.Я. Хейна, А.П. Чекмарева, В.С. Смирнова, И.Я. Тарновского, В.Н. Выдрина, П.И. Полухина и многих других. Получили признание исследования зарубежных ученых: С. Финка, К. Кодрона, В. Тафеля, Э. Зибеля, Т. Кармана, С. Экелунда, В. Тринкса, В. Люега, А. Помпа, А. Надаи, Э. Ороуона, Г. Форда, Р. Симса, М. Стоуна, А. Гелеи, З. Вусатовского и других.

Однако, несмотря на значительные достижения в развитии общей теории прокатки и технологии, процесс прокатки в калибрах и вопросы, связанные с калибровкой валков ввиду многообразия факторов, свойственных прокатке в калибрах, изучены еще недостаточно хорошо.

Среди различных фасонных профилей проката особое место занимают фланцевые профили, к которым относятся двутавровые балки, рельсы, швеллеры и т.д. Характерной особенностью фасонных фланцевых профилей является то, что они имеют форму, значительно отличающуюся от формы исходной заготовки – обычно квадратного или круглого сечения, следовательно, прокатка таких профилей идет с большой неравномерностью обжатий.

Исследование формоизменения металла при прокатке в фасонных фланцевых калибрах, рациональная конструкция калибров и выбор режимов деформации невозможны без учета четкого понимания процесса течения металла в калибре и анализа его деформированного состояния.

Таким образом, исследования формоизменения металла при прокатке в фасонных фланцевых калибрах, разработка новых методов расчета калибровок и способов прокатки фланцевых профилей на основе современной теории прокатки с целью повышения качества проката и снижения издержек на его производство является весьма актуальной задачей, как в научном, так и в практическом плане.

Работа выполнена в соответствии с Государственной программой «Основы политики Российской Федерации в области развития наук и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» от 30 марта 2002 г. и перечнем «критических технологий Российской Федерации», разделы «Технологические совмещаемые модули для металлургических мини-производств», «Компьютерное моделирование», Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» от 6 июля 2006 г., разделы «Технологии производства программного обеспечения», «Технологии создания и обработки кристаллических материалов», а также согласно планам госбюджетных и хоздоговорных работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель диссертационной работы:

Развитие научных основ новых методов калибровки и процессов прокатки фланцевых профилей и получение комплекса технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности производства за счет снижения энергетических затрат, повышения производительности, улучшения качества и расширения сортамента прокатываемой продукции.

Основные задачи:

1. Развитие научных основ определения эффективности деформации металла в калибрах методом верхней оценки, разработка эффективных с точки зрения экономии энергетических ресурсов условий деформирования металла в разрезных и рельсовых калибрах.

2. Разработка технических решений по усовершенствованию технологии прокатки железнодорожных и трамвайных рельсов на основе результатов исследований формоизменения и деформированного состояния металла в калибрах, обеспечивающих снижение материальных и энергетических затрат.

3. Развитие технологии прокатки рельсов с использованием универсальных калибров, разработка методики расчета калибровки валков при прокатке рельсов в универсальных калибрах компактной трехклетьевой реверсивной группы клетей в условиях модернизированных рельсопрокатных станов.

4. Совершенствование технологии прокатки швеллеров, разработка новых способов прокатки сложных фланцевых профилей с целью повышения эффективности производства.

5. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в производство фланцевых профилей.

Методы исследований: При исследованиях использовались методы теории подобия и моделирования процессов ОМД, метод координатных сеток с элементами сбора и обработки информации на компьютере в среде MathCAD14, метод верхней оценки при решении задач по теоретической оценке мощности деформации в калибрах, методы тензометрии, статистические методы обработки данных, метод математического планирования эксперимента.

Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, в выполнении экспериментальных и опытно-промышленных исследований формоизменения металла в калибрах, статистической обработке и анализе полученных результатов, внедрении новых технологий в производство.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом экспериментального материала, полученного в лабораторных и промышленных условиях с применением современных методик, корректным использованием математического аппарата; сравнительным анализом аналитических и экспериментальных результатов и зависимостей; применением современных методов статистической обработки результатов; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; эффективностью предложенных технических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производство. Достоверность и новизна технических решений подтверждена свидетельствами на изобретения и патентами.

Научная новизна работы заключается в том, что:

– впервые разработаны математические модели расчетов энергетических характеристик деформирования металла в открытых симметричных, наклонных несимметричных разрезных калибрах и в чистовом двухвалковом рельсовом калибре в зависимости от его наклона в валках, позволяющие оценить эффективность формоизменения металла в калибрах за счет уменьшения мощности деформирования;

– получены диаграммы распределения деформации металла в ящичных, трапециевидных, рельсовом разрезном калибрах при прокатке рельсов Р65. Установлены закономерности влияния величины уширения в рельсовых калибрах на изменение деформированного состояния металла и расположение зон с различной схемой деформации по сечению раскатов из этих калибров, получены закономерности формоизменения осевой пористости в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки;

– получены новые научные результаты по исследованию деформированного состояния трамвайных рельсов при разрезке головки профиля в зависимости от глубины внедрения и диаметра разрезного ролика; выявлены математические зависимости распределения значений деформации в поверхностных слоях по оси желоба от обжатия разрезным роликом; получена диаграмма действительных значений усилий для образования желоба головки трамвайного рельса, рассчитанная на основе экспериментальных значений усилий в зависимости от глубины разрезки и диаметра разрезного ролика;

– выполнен анализ закономерностей изменения осевых остаточных напряжений в элементах рельса после прокатки от неравномерности распределения пластических деформаций между элементами профиля в чистовом двухвалковом и чистовом универсальном калибрах при прокатке рельсов Р65; теоретически обоснована и подтверждена экспериментально закономерность влияния осевых остаточных напряжений на концевую кривизну рельсов;

– теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены зависимости формы и размеров разрезного гребня в первом трапециевидном калибре в системе черновых калибров для прокатки железнодорожных рельсов из непрерывнолитой заготовки от минимальной протяженности периферийной зоны, зоны столбчатых кристаллов в непрерывнолитой заготовке и высоты гребня со стороны подошвы в калибре для предварительной разрезки;

– разработана рациональная методика расчета калибровки валков трехклетьевой непрерывно-реверсивной группы в составе двух универсальных и одной двухвалковой клетей для прокатки рельсов, основанная на равенстве коэффициентов вытяжки по элементам профиля в универсальных калибрах.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

– разработана новая технология прокатки балок и швеллеров средних и малых размеров с использованием наклонных разрезных калибров, внедрение которой позволило повысить эффективность деформации в разрезных калибрах (патент №2103078 РФ), конструкция чистового рельсового двухвалкового калибра (А.с. №1731305 СССР) для оптимизации положения его в валках;

– разработаны технические решения по усовершенствованию технологии прокатки железнодорожных рельсов в черновых калибрах (патенты №2103077 РФ, №2223156 РФ), новые способы прокатки и правки рельсов (патенты №2100107 РФ, №2299250 РФ, №2394660 РФ) используемые в технологии производства рельсов специального назначении повышенного качества, технология прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки, трамвайных рельсов в чистовой универсальной клети (патенты №2233716 РФ, №2403108 РФ), внедрение которых позволило повысить производительность и качество продукции;

– разработана технология прокатки рельсов с использованием предчистового четырехвалкового универсального калибра и чистового двухвалкового калибра в двухклетьевой непрерывной группе клетей (А.с. №1445823 СССР, №1607985 СССР, №1614869 СССР) и технология прокатки рельсов с использованием универсальных калибров по схеме: предчистовой трехвалковый – чистовой четырехвалковый калибр (патент №2241556 РФ) для достижения минимального различия остаточных напряжений в процессе прокатки по элементам профиля и уменьшения концевой кривизны рельсов;

– разработаны новые технические и технологические решения для прокати швеллеров (патент №2132247 РФ), монорельсов для подвесных монорельсовых дорог (патент №2288045 РФ) и скобы упорной для пружинных рельсовых скреплений (патент №2254178 РФ), обеспечивающие повышение эффективности производства фланцевых профилей;

– представлено техническое решение модернизации рельсопрокатного стана ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» с расположением оборудования, разработана методика расчета калибровки валков рельсов в трехклетьевой непрерывно-реверсивной группе, и разработаны калибровки железнодорожных и трамвайных рельсов для выпуска высококачественных длинномерных рельсов;

– полученные в работе научные результаты исследований могут быть использованы для развития теории обработки металлов давлением и представляют интерес как учебный материал при разработке спецкурсов по теории прокатки и калибровки прокатных валков.

Реализация результатов работы. Основные разработки внедрены в течение 2000-2010 гг. на ОАО «НКМК» (с 01.07.2011 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК»):

– внедрение новой технологии прокатки балок и швеллеров малых размеров с использованием наклонных разрезных калибров (патент №2103078 РФ) при прокатке швеллера №10 позволило снизить растягивающие напряжения на кромках фланцев, улучшить условия захвата за счет уменьшения абсолютных обжатий, увеличить производительность прокатного стана на 5%, улучшить качество готового проката на 1,0%;

– внедрение новых способов прокатки железнодорожных рельсов в черновых калибрах (патенты №210377 РФ, №2223156 РФ), способа прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки (патент №2254941 РФ), новых способов расточки валков и калибровки рельсов (патенты №2100107 РФ, №2394660 РФ) позволило улучшить качество продукции и снизить расходный коэффициент металла на 5,4 кг на тонну. Годовой экономический эффект (в ценах 2010 г.) составил 20111872 руб;

– внедрение валкового узла универсального четырехвалкового калибра для прокатки трамвайных рельсов (патент №2233716 РФ), нового способа калибровки швеллеров (патент №2268788 РФ) стабилизировало процесс прокатки. Годовой экономический эффект от внедрения разработанных способов (в ценах 2010 г.) составил 14045700 руб. в год;

– разработка технологии прокатки новых фланцевых профилей: монорельса М200 и скобы упорной для пружинного рельсового скрепления обеспечило устойчивую прокатку в калибрах и минимальный расход прокатных валков. Годовой экономический эффект за счет освоения новых видов продукции (в ценах 2010 г.) составил 8568609 руб.

Положения, выносимые на защиту:

1) научные основы теоретического определения энергетических характеристик деформирования металла в калибрах, результаты энергетических параметров эффективности деформирования металла в открытых симметричных, наклонных несимметричных разрезных калибрах и в чистовом двухвалковом рельсовом калибре в зависимости от его наклона в валках;

2) банк экспериментальных данных по исследованию формоизменения и деформационного состояния металла в ящичных, трапециевидных, рельсовом разрезном калибрах при прокатке железнодорожных рельсов Р65; формоизменения осевой пористости и центральной ликвации в процессе прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки; деформированного состояния металла в рельсовых калибрах в зависимости от величины уширения;

3) зависимость влияния формы и размеров разрезного гребня первого трапециевидного калибра в системе черновых калибров для прокатки рельсов из непрерывнолитой заготовки на значения ударной вязкости в подошве рельса; результаты промышленного исследования прокатки рельсов с использованием универсальных калибров;

4) результаты экспериментального исследования деформированного со стояния трамвайного рельса при разрезке головки профиля в зависимости

от диаметра и глубины внедрения разрезного ролика;

5) новые технические и технологические решения по усовершенствованию прокатки железнодорожных, трамвайных рельсов, швеллеров и производства новых фланцевых профилей сложной формы: монорельсов для подвесных монорельсовых дорог и скобы упорной для пружинных рельсовых скреплений;

6) методика расчета калибровки валков трехклетьевой непрерывно-реверсивной группы в составе двух универсальных и одной двухвалковой клетей для прокатки рельсов, основанная на равенстве коэффициентов вытяжек по элементам профиля в универсальных калибрах, и разработанные по этой методике калибровки железнодорожных и трамвайных рельсов.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях: «Повышение эффективности производства и улучшение качества работы в свете решений XXV съезда КПСС» (г. Новокузнецк, 1976 г.); научно-техническое совещание в соответствие с программой ГКНТ «028 «Транспорт»» на 1986–90 г.г.; научно-технический совет МЧМ СССР по освоению технологии прокатки железнодорожных рельсов с использованием универсальных клетей и прокатки рельсов из непрерывнолитых заготовок (г. Новокузнецк, 1989 г.); III Международная конференция «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (г. Николаев, 1993 г.); ежегодные заседания государственной рельсовой комиссии (1993–2010 г.г.); Международная конференция «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (г. Новокузнецк, 1997 г.); Межгосударственная конференция «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века» (г. Магнитогорск, 1996 г.); первом – пятом (1995–2003 г.г.) международных конгрессах прокатчиков; Международная конференция «Высокие технологии в современном материаловедении» (г. Санкт-Петербург, 1997 г.); Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы и пути развития металлургии» (г. Новокузнецк, 1997 г.); первый Международный семинар «Актуальные проблемы прочности» (г. Новгород, 1997 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Металлургия на пороге XXI века» (г. Новокузнецк, 2000 г.); Межрегиональная конференция «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (2001 г.); V Международный семинар «Современные проблемы прочности» (г. Старая Русса, 2001 г.); XXXVII семинар «Актуальные проблемы прочности» (г. Санкт-Петербург, 2001 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Инновации в машиностроении–2001» (г. Пенза, 2001 г.); Международная научно-техническая конференция «Научно-технический прогресс в металлургии» (г. Новокузнецк, 2001 г.); IX Международный семинар «Актуальные проблемы материалов: наука и технология» (г. Екатеринбург, 2002 г.); Всероссийские научно-практические конференции «Металлургия: Новые технологии, управление, инновации и качество» (г. Новокузнецк, 2005–2006 г.г.); Всероссийская научно-практическая конференция аспирантов и молодых ученых (г. Новокузнецк, 2008 г.).