Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

390

Рис.2. Расчётная схема. 1, 2, 3 — массивные элементы; J

, J

— моменты инерции; с

, с

—

крутильные жесткости;

— коэффициенты демпфирования; ∆

, ∆

— зазоры;

— текущие угловые координаты; М

— момент электродвигателя; М

, М

— моменты прокатки

на верхнем и нижнем рабочих валках. Массивный диск 1 = ротор + муфта моторная + шестерня

зубчатое колесо + муфта коренная. Массивный диск 2 = верхний шестерённый валок +

верхний шпиндель + верхний рабочий валок. Массивный диск 3 = нижний шестерённый валок +

нижний шпиндель + нижний рабочий валок. Участок 1–2 — валопровод от ротора до верхнего

рабочего валка. Участок 1–3 —валопровод от ротора до нижнего рабочего валка.

Таблица 1

Исходные данные для моделирования

Параметр Обозначение Величина Размерность

Момент инерции J

32,9 кг·м

Момент инерции J

0,9 кг·м

Момент инерции J

0,9 кг·м

Жесткость с

29 600 Н·м

Жесткость с

29 600 Н·м

Коэффициент демпфирования β

20 Н·м·с

Коэффициент демпфирования β

15 Н·м·с

Зазор ∆

0,01 рад

Зазор ∆

0,005 рад

Момент прокатки М

прок

5 000 Н·м

Время захвата заготовки

зах

0,006 c

Угловая скорость ротора

рот

104,72

рад /с

Выполнено необходимое приведение указанных параметров к валу электродвигателя через

передаточное отношение редуктора.

Уравнения движения крутильно-колебательной системы составлены на основании

уравнений Лагранжа II рода.











−=−

=++

31333

21222

1131211

MMJ

MMMJ

; (1)

где:

(

)

)();()(

31132113232112211212

−

cMcM

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

391

Система уравновешена, если выполняется условие:

321

МММ

. Внешний момент со стороны

электродвигателя

прок

ММ

. Внешние моменты технологического сопротивления со стороны

верхнего и нижнего рабочего валков задаются как экспоненциально-линейные функции времени

(

рис.3):











≥













−











≥













−

зах

прок

зах

прок

зах

прок

зах

прок

ttпри

ttпри,e

ttпри

ttпри,e

(2)

где t

зах

— время захвата заготовки валками;

(

)

зах

t,,А 5040

— показатель экспоненты

нарастания технологических нагрузок.

— коэффициенты асимметрии нагружения рабо-

чих валков.

Рис.3. Экспоненциально-линейная функция

Уравнения движения решены на ЭВМ в среде Маткад методом Рунге-Кутта. Построены графики

моментов сил упругости М

и М

(рис.4).

Полученное решение проанализировано: определены динамические нагруженности шпинделей,

шестеренных и рабочих валков (табл.2). Таблица 2

Результаты математического моделирования

Шпиндель, шестеренный и

рабочий валок

Характер

нагружения

Коэффициент

динамичности

Частота

колебаний, Гц

Верхний М

(t) 2,0 30

Нижний М

(t) 2,0 30

При помощи компьютерной программы вычисления остаточного ресурса, [3] построен блок

нагружения шейки рабочего валка и определён его ресурс работы.

Изучение динамических процессов в прокатном стане необходимо для обеспечения их тех-

нологической и эксплуатационной надежности. Точный динамический расчет позволит преду-

смотреть мероприятия по ограничению динамических нагрузок и гарантировать работоспособ-

ность будущего прокатного стана ещё на стадии его проектирования, а также минимизировать

металлоёмкость прокатного стана.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

392

Рис.4. Графики моментов сил упругости

Список литературы

1. Яковлев Р.А. Асимметричное нагружение прокатных станов. Учебное пособие. М.:

МГТУ. 2001. 84с.

2. Яковлев Р.А., Восканьянц А.А. Основы динамики металлургических машин.

Методические указания к лабораторным работам. М: РИО МВТУ. 2003. 36с.

3. Колесников А.Г., Вафин Р.К. Мальцев А.А. Аппаратура для мониторинга остаточного

ресурса прокатных станов. Магнитогорск, Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. №4. 2006. - С.71 —

73.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

393

УДК 621.771.064.518.5

РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ И ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ СОРТОВЫХ ПЛА-

НЕТАРНЫХ СТАНОВ

Д. т.н. Никитин Г. С. (МГТУ имени Н. Э. Баумана)

К.т.н. Галкин М. П. (ОАО «ММЗ Серп и молот»)

М.н. с. Жихарев П. Ю. (ЦНИИЧермет имени И. П. Бардина)

Первый в мире промышленный литейно-прокатный агрегат, на котором была осуществлена

идея академика А. И. Целикова об объединении непрерывного литья и прокатки, был сдан в экс-

плуатацию в 1978 г. на заводе «Электросталь» имени И. Ф. Тевосяна. Агрегат был разработан и

изготовлен во ВНИИМЕТМАШ, а его пуск осуществлен инженерами ВНИИМЕТМАШ, МГТУ

имени Н. Э. Баумана и завода «Электросталь».

Здесь работали ученики И. М. Павлова – д.т.н. Жучин В. М., инженеры Галкин М. П., Цвет-

ков А. Б., Шинцберг В. М. и др. Теоретические исследования проводились под руководством В. П.

Полухина.

Успех объединения непрерывного литья и непрерывной прокатки был обеспечен благодаря

использованию в линии агрегата сортового планетарного стана. ВНИИМЕТМАШ имел уже боль-

шой опыт по созданию планетарных станов как для прокатки труб, так и для прокатки профилей

из специальных сплавов и труднодеформируемых металлов – молибдена и вольфрама. Создателя-

ми этих станов были д.т.н. В. В. Носаль, к.т.н. Милютин С. П., д.т.н. Е. А. Жукевич-Стоша, к.т.н.

Соловьев О. П. и др. [1]

Планетарный стан «100», установленный на агрегате, был предназначен для прокатки слит-

ков из специальных сплавов сечением 60х80 мм. В последние годы разработана новая конструк-

ция стана для прокатки слитков сечением 115х115 мм [2]. Такие станы могут быть использованы в

ЛПА для производства углеродистых марок сталей.

Расчеты показывают, что даже при производстве таких сталей окупаемость ЛПА при про-

изводительности 200 тыс. т составляет 1,5 года, при производительности 100 тыс. т – 3 года, при

производительности 25…50 тыс. т – 6 лет. При выпуске проката диаметром 10…20 мм из специ-

альных сталей окупаемость почти вдвое меньше.

Высокая эффективность ЛПА с планетарным станом объясняется полным использованием

теплосодержания слитка, отсутствием нагревательных печей и дополнительным повышением

температуры металла при планетарной прокатке с вытяжкой 30…45.

Расчет энергосиловых параметров процесса планетарной прокатки с четырехсторонним

обжатием заготовки на станах системы Целикова-Носаля трудоемок и сложен, так как получения

конечных результатов связано со значительным количеством промежуточных вычислений для ка-

ждого углового положения рабочего валка в зоне обжатия

В случае варьирования параметров процесса прокатки (подачи

, температуры прокатки

, число оборотов сепаратора

сеп

) с целью оптимизации технологических режимов по допускае-

мому усилию прокатки, температуре конца прокатки и т.п., объем вычислений резко увеличивает-

ся. Использование ЭВМ позволяет оперативно определять энергосиловые параметры, решать за-

дачи оптимизации технологических режимов, выбирать конструктивные параметры станов.

На базе аналитических зависимостей, полученных при теоретическом исследовании [3] бы-

ла разработана математическая модель процесса планетарной прокатки заготовки круглого и

квадратного сечений. На рис. 1 представлена укрупненная блок-схема алгоритма определения па-

раметров процесса прокатки для каждого углового положения рабочего валка в зоне обжатия

(шаг

∆

). Особенность алгоритма – предварительное определение геометрических параметров

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

394

мгновенного очага деформации (блок 2-7) с последующим расчетом истинного распределения

температуры по зоне обжатия итеративным путем с учетом основных составляющих теплового

баланса.

Определение геометрических параметров состоит из следующих расчетов: текущей площа-

ди поперечного сечения фигуры обжатия

( )

, ширины передней границы мгновенного очага де-

формации

и полного смещения исходного контура

∆

с учетом наличия боковых внеконтакт-

ных зон (блок 3) [3]; длины мгновенной дуги контакта, определяемой на участках зоны обжатия,

границей между которыми является угловое положение рабочего валка

, где очаг деформации

становится симметричным (блок 4) [3]; средней ширины мгновенного очага деформации

..срд

мгновенной контактной площади, рассчитывающихся по участкам зоны обжатия, для которых ха-

рактерно наличие или отсутствие боковых внеконтактных зон и накопленного уширения (блок 5);

коэффициента напряженного состояния

в зависимости т показателя формы очага деформации

ср

hl /

и наличия боковых внеконтактных зон.

Рисунок 1 – Структурная схема математической модели процесса планетарной прокатки

В случае использования калиброванных валков для получения раската круглого сечения на

выходе из планетарного стана следует уточнять определение

введением коэффициента

(формула Никитина Г.С.), учитывающего повышение контактных напряжений при прокатке в ка-

либрах [3].

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

395

Расчет контактных давлений

срх

, усилий

и моментов

прокатки производится для

каждого углового положения рабочего валка с учетом истинного распределения температуры

Результаты расчета энергосиловых параметров прокатки заготовок из сплавов Х20Н80 и

55СМ5ФА диаметром 67,5 мм в полосу сечением 12х12 мм на стане 100 дали удовлетворительную

сходимость с данными экспериментальных замеров (в пределах 12%), что позволяет сделать вы-

вод об адекватности математической модели физическому процессу планетарной прокатки (рис.

2).

Рисунок 2 – Изменение геометрических параметров очага деформации при прокатке заго-

товки на стане 10 от подачи вдоль зоны обжатия

С помощью созданной модели можно решать задачу выбора основных конструктивных па-

раметров проектируемых станов: числа рабочих валков на сепараторе

, диаметра рабочих валков

, величины радиуса наружных орбит сепараторов

орб

. При их определении заранее известны

размеры сечения исходной и конечной полосы, температура начала прокатки, аналитическая зави-

симость деформационного упрочнения, описывающая изменение сопротивления деформации наи-

более прочной из сортамента марки материала в процессе обработки. Эти аналитические зависи-

мости

(

)

Tuf ,,

для логарифмических деформаций от 0,1 до 3 получены Никитиным Г. С. и

Зуевым И. Г. [3]. С точки зрения нагрузок на детали и узлы стана выбирают наиболее напряжен-

ный режим прокатки, соответствующий предельно возможным значениям скорости разливки

скорости задачи

зад

и числу оборотов сепаратора

сеп

Исходя из обычно принятых значений углов зоны обжатия

20≤

, для станов с круговой

орбитой предварительный радиус сепаратора:

( )

орб

cos12

−

где

,hH

– высота сечения исходной и конечной заготовок соответственно.

Для количественной и качественной оценки изменения максимального усилия под рабочим

валком

(

)

max

выт

в зависимости от

для принятого диапазона

орб

с помощью матема-

тической модели рассчитываются и строятся кривые

(

)

(

)

SzfP

ираб

max

(

)

(

)

SzfP

ввыт

max

(рис.

3).

Значения радиусов наружных орбит сепараторов выбираются в большую или меньшую сторону

от предварительно рассчитанного по формуле, приведенной выше. При анализе полученных гра-

фиков выбирают число рабочих валков. При этом необходимо учитывать, что с уменьшением чис-

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

396

ла валков, например, на 40% (как показали расчеты), нагрузка на рабочий валок возрастает на

25…30%, а статическая прочность подшипников рабочих валков увеличивается в 1,5…2 раза.

Рисунок 3 – Качественные зависимости

(

)

(

)

враб

zfP

max

(1 – 4),

(

)

(

)

ввыт

zfP

max

(5 – 8)

при заданных диаметрах рабочего валка

и радиуса наружной орбиты сепаратора

орб

(

2121

вворборб

ddRR

)

Для определения диаметра рабочего валка аналогичным образом рассчитываются и строят-

ся кривые усилий, действующих на подшипники рабочего валка

(

)

max

подш

, и статической грузо-

подъемности подшипников

ст

в функции

(рис. 4).

Рисунок 4 – Качественные зависимости статической прочности подшипников 1 и максимальных

усилий, действующих на подшипники рабочих валков 2 от диаметра рабочего валка

Задаваясь коэффициентом запаса по прочности

[

]

[ ]

max

подш

ст

k =

и используя полученные графики, определим диаметр рабочего валка.

Шаг между валками на сепараторе находим из условия прохождения рабочего валка гори-

зонтального сепаратора между корпусами подшипников смежного вертикального сепаратора:

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

397

(

)

dmt

где 75,1...6,1

≥

m – принятый коэффициент.

Затем находим длину окружности по центрам рабочих валков

(

)

вввокр

dmztzL

;

и радиус сепаратора

(

)

вв

сеп

dmz

Уточненное значение радиуса наружной орбиты сепаратора определяем из уравнения

(

)













=+=

mzd

dRR

вв

всепорб

Полученное значение

орб

проверяем по максимально допускаемому значению угла зоны

обжатия:













−

−=

орб

1arccos

Если

20≥

увеличиваем

величину

орб

до

значения

при

котором

20=

Для

уточнения

коэффициента

запаса

по

прочности

при

полученных

значениях

орб

помощью

математической

модели

дополнительно

проводится

проверочный

расчет

Список использованной литературы:

Никитин

Жукевич

Стоша

Шуляк

др

. «

Процессы

планетарной

про

катки

перспективы

их

применения

»,

Черные

металлы

№

12, 2008

Универсальная

клеть

сортового

планетарного

стана

Патент

РФ

№

2302915.

Ники

тин

Шуляк

Столяров

др

Никитин

. «

Теория

непрерывной

продольной

прокатки

»,

Издательство

МГТУ

имени

Баумана

, 2009

. – 399

Клеть

сортового

планетарного

прокатного

стана

Патент

РФ

№

2302914.

Никитин

Шуляк

Столяров

др

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

398

ПОЛУЧЕНИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Николаев А.Г.

Российская Федерация, Учреждение Российской Академии наук

Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН,

Vasil.1564@mail.ru

Тенденция роста цен на цветные металлы стимулирует исследования в области разработки

материалов, не содержащих дефицитные и дорогостоящие легирующие компоненты. К таким ма-

териалам относится биметаллическая сталеалюминиевая проволока, прошедшая специальную

термическую обработку. Технологические характеристики этого проводника не уступают таким

материалам как Х80Н20 и Х23Ю5Т, широко применяемым в электронагревательных приборах.

Между тем, сталь-алюминиевый проводник не содержит дорогостоящих добавок хрома и никеля.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Технология изготовления жаростойкого проводника включает получение биметаллической

проволоки и высокотемпературный отжиг[1]. При этом на поверхности проводника формируется

защитное покрытие по химическому составу близкое к интерметаллиду Fe

Al, которое и обеспе-

чивает длительную работу нагревательного элемента на воздухе.

Известные процессы производства биметаллической проволоки обладают как определен-

ными достоинствами, так и недостатками. Наибольшее распространение получили следующие

технологии:

1. Подготовка сердечника, затем нагрев, заливка металлом-оболочкой и горячая прокатка с

последующим волочением[2];

2. Гальваническое нанесение металла оболочки на проволоку-сердечник[3];

Напрессовывание оболочки на кабельном прессе и волочение[3];

4. Сборка заготовки из прутка и трубы с последующим прессованием, прокаткой и воло-

чением[3];

5. Нанесение оболочки протягиванием проволоки-сердечника через ванну с расплавлен-

ным металлом оболочки[4];

Наложение оболочки на сердечник формовкой ленты в трубу и сваркой продольного

шва с последующим волочением[5].

По нашему мнению, наиболее перспективным следует считать процесс наложения оболоч-

ки из ленты. Он универсален, обеспечивает непрерывность производства и позволяет получать

проволоку высокого качества.

ВНИИМЕТМАШ разработан процесс производства биметаллической проволоки наложени-

ем алюминиевой ленты на стальной сердечник и создана лабораторная установка для его осуще-

ствления. На установке можно получать биметаллическую проволоку диаметром от 2 до 6 мм со

скоростью до 1 м/сек., используя при этом проволоку-сердечник диаметром 1-5 мм, и ленту тол-

щиной до 1 мм. (рис.1).

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

399

Рис. 1 Схема процесса производства сталеалюминиевой проволоки наложением оболочки на

сердечник: 1 – зачистка проволоки-сердечника, 2 – зачистка ленты, 3 – гибка ленты, 4 – формовка

оболочки, 5 – холодная сварка продольного шва оболочки, 6 - снятие грата, 7 – нагрев оболочки, 8

и 9 – горизонтальная и вертикальная калибровка, 10 – уборка слоя, 11 – смотка готовой проволоки.

Проволока-сердечник разматывается с катушки и, пройдя операцию зачистки поверхности

тремя планетарными, стальными щетками (1), поступает в проводку (3), где ложится на зачищен-

ную поверхность ленты. Из проводки проволока и лента попадает в гибочные ролики, где лента

прогибается в корытообразный профиль и формуется в оболочку с припуском под сварку. Сварка

продольного шва оболочки производится деформацией только припуска оболочки в неприводных

роликах на величину 65-95% . При этом металл из зоны деформации (шва) выжимается в направ-

лении перпендикулярном оси волочения и образуется сварочный облой – гребешок на поверхно-

сти оболочки. Грат удаляется неприводным дисковым ножом (6) , установленным непосредствен-

но за сварочной волокой (5), и сматывается на катушку (10). С целью восстановления пластично-

сти металла в зоне шва и улучшения связи оболочки с сердечником поверхность проволоки нагре-

вается на электроконтактных роликах (7). Нагретая проволока калибруется волочением через го-

ризонтальную и вертикальную роликовые волоки (9) , установленные перед приемно-тянущим ба-

рабаном (11).