Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

370

17,5

8,6 8,9

2,0

24,9

11,4

17,2

б)

8,6 8,6

17,2

2,0

24,3

11,4

17,2

Рис. 7. Форма и размер готового ребристого прутка диаметром 16 мм:

a) –

прокатанного из внешней жилы (A=201,2 mm

, λ=1,28), б) – прокатанного из серединной жи-

лы (A=198,8 mm

, λ=1,27)

На основании полученных результатов численного моделирования прокатываемого ребристого

прутка диаметром 16 мм в клетях 16 и 17 доказано, что как овальный калибр, так и круглый реб-

ристый калибр были правильно заполнены во время прокатки внешней и серединной жилы. В ре-

зультате разделения полосы на три жилы ширина овалов отличалась на 0,6 мм. Поле поверхности

сечения внешнего овала было на 6 мм

больше. При прокатке в калибре круглом ребристом разни-

ца поля поперечного сечения готового прутка уменьшилась до 2,4 мм

. Небольшая разница в по-

лях сечения овальной полосы повлияла на ширину ребристых прутков. Пруток, прокатанный из

внешней жилы был на 0,3 мм шире по сравнению с шириной прутка, прокатанного из серединной

жилы. Кроме того, прутки, полученные из внешней жилы, отличались разной шириной продоль-

ного ребра. Ширина ребра со стороны свободно расширяющейся в разделительном калибре была

меньше на 0,3 мм по сравнению с ребром, полученным со стороны перемычки в полосе после

разделительного калибра. Разная ширина продольных ребер следуют из неравномерного распре-

деления температур в поперечном сечении плоского овала. Распределение температуры в попе-

речном сечении полосы в разделяющем калибре, плоском овальном и круглом ребристом показано

на рис.8.

a) б) в)

Рис. 8. Распределение температуры в поперечном сечении полосы: a) – разделяющий калибр клети

15, б) – овальный плоский калибр клети 16, в) – калибр круглый ребристый клети 17, 1 – жила

внешняя, 2 – жила срединная

На основании представленных распределений температуры можно заметить значительную разни-

цу в величинах температуры между внешней и серединной жилами. В случае прокатки ребристого

прутка из серединной жилы, распределение температуры не имело большого значения, так как оно

симметрично. В случае прокатки прутка из внешней жилы распределение температуры несиммет-

рично и имеет большое значение по направлению деформации. Более высокая температура влечет

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

371

за собой меньшее сопротивление пластического течения и поэтому продольное ребро является бо-

лее широким.

Выводы

Во время прокатки ребристых прутков по трехжильной технологии наблюдается неравномерность

распределения температуры в поперечном сечении полосы, которая влияет на неравномерность

деформации, особенно при прокатке внешних жил. Такие условия влияют точность размеров реб-

ристых прутков. Полученные ребристые прутки при численном моделировании отличались пра-

вильными размерами, которые находились в границах допуска размера, установленных польским

стандартом. Разница в размере, появляющиеся в отдельных ребристых прутках в значительной

степени уменьшают возможности прокатки в границах допуска размера (положительного или от-

рицательного). Разница размеров прутков могут увеличиваться вместе со временем эксплуатации

разделяющих калибров.

Список литературы

[1]

Danchenko V., Dyja H., Lesik L., Mashkin L., Milenin A.: Technologia i modelowanie procesów

walcowania w wykrojach, Politechnika Cz

ęstochowska, Prace Dydaktyczne Wydziału Inżynierii

Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Seria: Metalurgia Nr 28, Wydawnictwo Wydziału

Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej Politechniki Częstochowskiej,

Częstochowa 2002, s. 326-328, 417-418.

[2]

Dyja H., Mróz S.: Modelowanie i optymalizacja technologii walcowania prętów okrągłych,

żebrowanych z wzdłużnym rozdzielaniem pasma, Naukovi visti, Suchasti problemy metalurgi,

Tom 8, Plastichna deformacija metaliv, Dniepropietrovsk 2005, s. 271-278.

[3]

Mróz S., Proces walcowania prętów z wzdłużnym rozdzieleniem pasma, Seria Monografia nr 183,

Częstochowa 2008.

[4]

Grattan E.: The multi – slit rolling process, Ashlow Guides, 1997.

[5]

Michałowski M., Turczyn S., Nowakowski A.: Analiza płynięcia metalu w wykrojach

rozcinaj

ących stosowanych do walcowania prętów żebrowanych, Hutnik – Wiadomości Hutnicze,

nr 8-9, 2002, s. 342-345.

[6]

Morgardshammar Guide Systems. Slit rolling, 1998.

[7]

Forge3 Reference Guide, Realese 6.2, Transvalor S.A. November 2002.

[8]

O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor, Finite Element Method, Fifth Edition, Butterwortth–Heinemann,

Woburn, (2000).

[9]

Grosman F., Hadasik E.: Technologiczna plastyczność metali. Badania plastometryczne, Gliwice,

2005.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

372

УПРАВЛЕНИЕ ТОЧНОСТЬЮ ПРОКАТКИ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА

ПОЛУНЕПРЕРЫВНОМ МЕЛКОСОРТНОМ СТАНЕ.

Вахрушев В.К. (ОАО «Электросталь»), проф. д.т.н. Никитин Г.С.,

Водянов К.С. (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

На заводе «Электросталь» имени И.Ф. Тевосяна на полунепрерывном стане 350/250 освое-

на технология прокатки круглых, квадратных и полосовых профилей широкого марочного сорта-

мента – в основном из высоколегированных, нержавеющих и жаропрочных сталей, однако, акту-

альным является вопрос повышения точности проката и структуры металла. Производство прока-

та из 300 марок сталей и сплавов, значительно (в 10 – 15 раз) отличающихся сопротивлением де-

формации, требует тщательной настройки рабочих клетей при переходе с одной марки на другую.

Трудность заключается в малотоннажности партий металла (около 2 – 10 заготовок в партии).

Как показывает опыт работы при непрерывной прокатке труднодеформируемых сталей и

сплавов из-за значительного разогрева металла возможно получение крупнозернистой структуры,

и, как следствие, снижение пластичности. При нарушении режимов могут возникнуть внутренние

расслоения и рванины.

Определение технологических режимов прокатки при широком марочном сортаменте про-

изводства требует больших трудозатрат, а освоение новых марок сопряжено со значительными

потерями производительности.

Обеспечить высокие требования к качеству проката на непрерывных и полунепрерывных

станах можно лишь при создании эффективных автоматизированных систем управления техно-

логическими процессами прокатки. В математической модели прокатки на полунепрерывном ста-

не 250/350, разработанной МГТУ им. Н.Э. Баумана и заводом «Электросталь» решается задача

определения энергосиловых параметров и температуры по клетям. Сопротивление деформации

вычисляется по экспериментально-аналитической зависимости Никитина-Зуева, позволяющей

определить контактное давление в чистовых группах при высоких суммарных деформациях, т.е.

ୌ଴

ୌଵ

до 2,5

. Уравнение теплового баланса в зоне обжатия решается методом итераций, что по-

могает избежать накопления ошибок возникающих при расчете контактного давления по темпе-

ратуре входа металла в валки. Коэффициент теплопередачи от металла к валкам определяется

для каждой марки экспериментально, с учетом характерных свойств окалины и ее толщины. Ис-

следования на стане 350/250 показали, что толщина окалины зависит от марки стали и температу-

ры прокатки (Таблица 1). Данные приведенные в таблице получены при средней температуре про-

катки 1100 с

Таблица 1

Черновая груп-

па

Чистовая груп-

па

Нержавеющие марки стали 0,8 мм 0,03 мм

Жаропрочные марки стали 0,06 мм пылевидная

Величины обжатия и уширения в каждом калибре устанавливались по отобранным тем-

плетам. Сравнение результатов расчета по реализующей эту модель программе с эксперимен-

тальными данными, доказывает адекватность этой модели. Определение температуры с точно-

Никитин, Г. С. Теория непрерывной продольной прокатки.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

373

стью до 10 градусов и точное определение силы прокатки позволяет определять упругую дефор-

мацию в каждой клети и управлять точностью прокатки.

С помощью данной программы при заданной калибровке на этапе проектирования техноло-

гического процесса или при его корректировке, определяются ресурсосберегающие режимы – ско-

рость и температура начала прокатки на стане, обеспечивающие необходимую температуру конца

прокатки.

При использовании программы были уточнены технологические инструкции по прокатке

профилей широкого марочного сортамента из высоколегированных, нержавеющих и жаропроч-

ных сталей, что привело к снижению брака и позволило получить значительный экономический

эффект.

Производство проката малыми партиями из большого сортамента сталей и сплавов, значи-

тельно отличающимися термомеханическими свойствами, требует тщательной настройки рабочих

клетей при переходе с одной марки на другую, поэтому подстройка оператором стана по резуль-

татам первых заготовок ведет к значительным потерям дорогостоящего металла по структуре и

размерам, а, следовательно, к снижению производительности стана.

Функции управления процессом непрерывной прокатки и настройки стана при переходе на

новую марку в настоящее время лежат на операторе, который должен принять рациональное ре-

шение по выбору управляющего воздействия (исходная температура, скорость прокатки, установ-

ка валков) на объект управления в сжатые сроки. Это решение оператор выбирает на основе тех-

нологических инструкций (в которых все управляющие параметры указаны в достаточно широком

диапазоне), опыта предыдущей работы, интуиции. Основные сложности возникают при освоении

новых марок. Ошибки оператора ведут не рациональному расходу энергетических и материальных

ресурсов, браку, простоям.

Разработанная система управления точностью проката позволяет значительно облегчить

работу оператора по достижению необходимой точности проката.

Целью дальнейшей работы является нахождение резервов повышения точности и качества

проката из специальных сталей и сплавов, увеличения производительности работы стана, сниже-

ния брака и энергозатрат.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

374

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ПОПЕРЕЧНО-

ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ

СИЛУМИНОВЫХ СПЛАВОВ

Ковалев Д.А., Осадчий В.Я., Сигалов Ю.М.

РФ, МГУПИ, ВИЛС, dimapvp@mail.ru

Поперечно-винтовая прокатка (ПВП) является широко распространенным процессом обра-

ботки металлов давлением и отличается большим разнообразием технологии, оборудования и вы-

пускаемой продукции [1]. Исходным материалом для получения труб на агрегатах с прошивным

станом являются круглые катаные или литые заготовки-штанги из углеродистых, легированных и

труднодеформируемых сплавов, таких как сплавы титана и алюминия с высоким содержанием

кремния (заэвтектические силумины).

Повышение пластических свойств металлов за счет обработки давлением всегда являлось

важной задачей науки и производства. Известно, что заэвтектические силумины с содержанием

кремния 18 - 24% обладают рядом очень важных и полезных свойств (высокой удельной прочно-

стью, хорошей износостойкостью в трущихся парах, малой плотностью, низким коэффициентом

линейного расширения, а также высокими антикоррозионными свойствами) и используются в

авиа- и автомобилестроении. Однако до последнего времени, заэвтектические силумины счита-

лись, прежде всего, литейными сплавами, не способными к пластическому деформированию. Эти

сплавы в литом состоянии из-за крупного размера зерен кремния почти не обладают пластическим

свойствами, т.е. имеют низкие механические показатели. Поэтому разработка технологических

параметров деформации исходных слитков этих сплавов на примере сплава 01390 в трехвалковом

стане поперечно-винтовой прокатки (ПВП) на основе предварительного исследования напряжен-

но-деформированного состояния (НДС) металла с целью повышения их пластических свойств

представляет большой научный и практический интерес и является актуальной.

Математическое моделирование напряженно - деформированного состояния заготовки при

поперечно-винтовой прокатке проводилось на основе программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D.

Отличительной особенностью данных моделей от ранее сделанных [3,4,5] является отсут-

ствие каких-либо ограничений степеней свободы деформируемой заготовки, что делает их еще

ближе к естественному процессу. Втягивание и деформация заготовки происходит только благо-

даря силам трения, возникающим при ее контакте с вращающимися валками, что позволяет также

учесть такой немаловажный фактор как скручивание и скорость деформации заготовки при про-

катке.

В программе ANSYS/LS-DYNA моделировали прокатку заготовки-прутка с Ø120мм на Ø80

мм, а в программе DEFORM 3D с Ø120мм на Ø80 мм, Ø110мм на Ø80 мм и Ø100мм на Ø80 мм

при прочих равных параметрах. Тем самым мы имели возможность сопоставить качественные и

численные результаты, сложность постановки и скорость просчета задач двух программ, исполь-

зующих метод конечных элементов, а также исследовать зависимость напряженно-

деформированного состояния металла от вытяжки (от обжатия по диаметру).

Материал прутка – заэвтектический силумин 01390 с пределом текучести 50 МПа, при тем-

пературе прокатки 450º, модель материала прутка Билинейная изотропная [2]. Частота вращения

валков - 30 мин

-1

, максимальный диаметр валков - 300 мм, входной угол обжимной части валка

принимался равным 12º, минимальное расстояние между ними - 80 мм. Угол подачи принимался

равным 9º, угол раскатки 4º. Валки являются абсолютно жесткими, и зафиксированными вокруг

локальной оси. Трение на всей поверхности контакта подчиняется закону сухого трения Кулона,

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

375

причем коэффициент трения для обеспечения надежного захвата заготовки валками принимается

относительно большим (0,5) и постоянным на всей контактной поверхности.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

376

Сечение №1 – начало обжимного участка Сечение №2 – середина обжимного участка

Схема к определению напряжений

в точках по сечению прутка

Сечение №3 – пережим Сечение №4 – 30 мм от пережима

Рис. 1. Распределение напряжений, в деформируемой заготовке полученное в программе ANSYS/LS-DYNA.

Заготовка Ø120мм → пруток Ø80мм.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

377

Сечение №1 – начало обжимного участка Сечение №2 – середина обжимного участка

Схема к определению напряжений

в точках по сечению прутка

Сечение №3 – пережим Сечение №4 – 30 мм от пережима

Рис. 2. Распределение напряжений в деформируемой заготовке полученное в программе DEFORM 3D.

Заготовка Ø120мм → пруток Ø80мм.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

378

Распределение напряжений в заготовке деформируемой с Ø120мм на Ø80 мм полученное в

программе ANSYS/LS-DYNA, при установившемся процессе, исследовалось в четырех, наиболее

характерных, сечениях перпендикулярных оси прокатки. Первое сечение бралось в самом нача-

ле обжимного участка, второе в середине, третье сечение находилось в пережиме валков, а чет-

вертое на расстоянии 30 мм от него. Радиальные, осевые и тангенциальные напряжения для вы-

шеперечисленных сечений приведены на рис. №1.

Распределение напряжений в деформируемой заготовке с Ø120мм, Ø110мм, и

Ø100мм на Ø80 мм, полученное в программе DEFORM 3D, при установившемся процессе, также

исследовалось в четырех, наиболее характерных, сечениях перпендикулярных оси прокатки. Ради-

альные, осевые и тангенциальные напряжения для рассматриваемых сечений приведены на рис.

№2.

Приведенные выше графики подтверждают, что качественная картина распределения ради-

альных, осевых и тангенциальных напряжений, полученная на основе программ ANSYS/LS-

DYNA и DEFORM 3D совпадает, при этом ANSYS/LS-DYNA дает завышенные в среднем на 20-

25 % численные значения.

Проанализировав полученные картины распределения напряжений для разной степени де-

формации, можно сделать вывод о том, что наиболее опасная зона, с точки зрения разрушения за-

готовки, находится на расстоянии 6/8 -7/8 диаметра прутка в зоне металла между валками, где

разница между растягивающими осевыми и сжимающими тангенциальными напряжениями дос-

тигает максимальных значений, при этом разница между значениями напряжений снижается при

уменьшении обжатия прутка по диаметру.

Экспериментальная поперечно-винтовая прокатка слитка сплава 01390 проводилась на ос-

нове рекомендаций, полученных с помощью математического моделирования процесса ПВП. Си-

ловые параметры фиксировались при помощи разработанного современного программно-

аппаратного комплекса, состоящего из тензометрических датчиков, высокоразрядного аналого-

цифрового преобразователя и ЭВМ с установленной программой расшифровки данных.

Для проведения измерений усилий при поперечно-винтовой прокатки на ОАО «ВИЛС»

было отлито пять заготовок из сплава 01390, а также один слиток из сплава АД0, который исполь-

зовался для прогрева рабочих валков стана. Время нагрева заготовок в печи составило - 4 часа, по

истечении которого, температура прокатываемых заготовок была 450

С. Остальные параметры

процесса прокатки задавались следующими: начальный диаметр заготовки - 100 мм, диаметр про-

катанного прутка - 80 мм, диаметр валков - 300 мм, угол подачи - 9

градусов, угол раскатки - 4

градуса, частота вращения валков – 30 мин

-1

. При этом вытяжка составила – 1,56. В результате

было получено усилие при прокатке прутков из заэвтектического силумина, приходящееся на

один валок, которое в среднем по пяти пруткам составило 133 кН. Для определения силовых па-

раметров процесса поперечно-винтовой прокатки, а именно усилия на валок, необходимо знать

площадь контактной поверхности и среднее нормальное напряжение на ней. Результаты прове-

денных расчетов с помощью МКЭ на базе программного пакета ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D

и экспериментальной прокатки приведены в таблице №1.

Таблица№1

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

379

Метод

Диам.

загот.,

мм

Диам.

прутка,

мм

Длина

конт

пов,

мм

Ср.шир.

конт.пов,

мм

Площадь

конт. пов-

ти, мм

Среднее

конт.

напр.

МПа

Услие

прокатки,

кН

ANSYS 120 80 69 11,23 775 243,0 188,3

Deform3D

120

14,38

1050

190,3

199

110 80 55 14,21 781,5 189,2 147,8

100 80 43 14,13 607,6 188,6 111,9

Таблица№1

Продолжение

Экспери-

мент/ си-

лумин

01390

100

133

100

134

100

132

100

132

100

134

Полученные экспериментальные и расчетные данные по усилию на валке при поперечно-

винтовой прокатке заготовки-прутка из заэвтектического силумина показали, что прикладной па-

кет программ DEFORM 3D дает заниженные результаты с ошибкой 16-18%.

На рис. 3 представлены результаты влияния ПВП на структуру заэвтектического силумина.

В прокатанных прутках средний размер кристаллов кремния относительно исходного слитка

Ø114мм уменьшается до 10-20 мкм. На рис. 4 представлена зависимость среднего размера кри-

сталла кремния от вытяжки. Основываясь на этих данных можно сделать вывод о том, что актив-

ное измельчение кристаллов кремния происходит до значения вытяжки равное 2,5, далее средний

размер кристалла кремния практически не изменяется – наступает эффект «насыщения». Пластич-

ность металла в результате прокатки в стане ПВП возрастает в 3 – 3,5 раза (δ

исх. сл.

=3,2; δ

прок.

заг.

=11,7). Также было проведено более детальное исследование изменения размеров кристаллов

кремния по радиусу заготовки для прутков диаметром 94 мм и 70 мм. Результаты представлены на

рис. 5 и 6.

Рис.3 Зависимость среднего размера кристал-

ла кремния от степени деформации

Рис.4 Зависимость среднего размера кри-

сталла кремния от вытяжки