Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 621.771.23

РОЗВИТОК МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ КОНТАКТНИХ НАПРУЖЕНЬ

З УРАХУВАННЯМ КІНЕМАТИКИ ОСЕРЕДКУ ДЕФОРМАЦІЇ ДЛЯ УДОСКОНАЛЕННЯ РЕЖИМІВ ОБТИСКІВ ПРИ ХОЛОДНІЙ ПРОКАТЦІ

Спеціальність 05.03.05

“Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Коноводов Дмитро Володимирович

Дніпропетровськ - 2007



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Василев Янакі Димитров, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри обробки металів тиском.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Максименко Олег Павлович, професор кафедри „Обробка металів тиском”, Дніпродзержинський Національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпродзержинськ;

кандидат технічних наук Приходько Ігор Юрійович, завідуючий відділом проблем прокатки листа, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ.

Провідна установа: Запорізька державна інженерна академія (кафедра обробки металів тиском) Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться "__26__" червня __2007 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий „__24__” ____травня___ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський



АНОТАЦІЯ

Коноводов Д.В. Розвиток методу розрахунку контактних напружень з урахуванням кінематики осередку деформації для удосконалення режимів обтисків при холодній прокатці. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

У дисертації отримане нове рішення науково-технічної задачі, що полягає у визначенні закономірності розподілу контактних напружень при холодній прокатці штаб з урахуванням кінематики осередку деформації. Отримана залежність для визначення середнього нормального напруження в діапазоні зміни відношення довжини осередку деформації до середньої товщини штаби ld/h_cp від 5 до 50.

Одержало розвиток теоретичне визначення закономірностей розподілу контактних напружень в осередку деформації при холодній прокатці з урахуванням різного характеру зміцнення сталей. Розроблено методику і досліджені закономірності розподілу опору деформації з урахуванням впливу температури, швидкості і ступеня деформації в зоні формозміни при холодній прокатці. Одержав розвиток метод визначення коефіцієнта тертя по експериментальних епюрах контактних напружень. При цьому врахований вплив кінематичних умов на контакті штаби з валком.

Удосконалено методику розрахунку енергосилових параметрів процесу холодної прокатки та вдосконалені режими обтисків на безперервному чотириклітьовому стані 1680. Результати роботи використані на ВАТ “Запоріжсталь” і на кафедрі обробки металів тиском Національної металургійної академії України.

Ключові слова: холодна прокатка, штаба, стан, режим обтисків, контактні напруження, опір деформації, алгоритм, пружна деформація.



АННОТАЦИЯ

Коноводов Д.В. Развитие метода расчета контактных напряжений с учетом кинематики очага деформации для совершенствования режимов обжатий при холодной прокатке. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

В диссертации получено новое решение научно-технической задачи, которая заключается в определении закономерности распределения контактных напряжений при холодной прокатке полос с учетом кинематики очага деформации. Для этого в диссертации выполнено решение дифференциального уравнения равновесия сил при прокатке с моделью напряжений трения, учитывающей влияние относительной скорости скольжения на напряжение трения в очаге деформации при холодной прокатке. Это позволило получить теоретические эпюры контактных напряжений, соответствующие экспериментальным эпюрам, для всего диапазона толщин холоднокатаных полос.

Получило развитие теоретическое определение закономерностей распределения контактных напряжений в очаге деформации при холодной прокатке с учетом разного характера упрочнения сталей. Разработана методика и исследованы закономерности распределения сопротивления деформации с учетом влияния температуры, скорости и степени деформации в зоне формоизменения при холодной прокатке. Впервые установлено, что при последовательной (реверсивной и непрерывной) прокатке с суммарным обжатием более 20-40 % сопротивление деформации в зоне формоизменения распределяется практически равномерно, независимо от характера упрочнения стали.

Получил развитие метод определения коэффициента трения по экспериментальным эпюрам контактных напряжений. При этом учтено влияние кинематических условий на контакте полосы с валком.

Получило развитие определение среднего нормального напряжения при холодной прокатке полос с учетом влияния кинематики очага деформации на напряжения трения. Полученная зависимость позволила получать данные о величине среднего нормального напряжения при холодной прокатке в диапазоне изменения отношения длины очага деформации к средней толщине полосы ld/h_cp от 5 до 50, соответствующие экспериментальным данным. Сравнение экспериментальных данных с рассчитанными по предложенной в диссертации формуле для определения средних нормальных контактных напряжений показало, что расхождение между ними не превышают 2-10%.

Усовершенствована методика расчета энергосиловых параметров процесса холодной прокатки. Экспериментальная проверка точности предложенной методики на ряде непрерывных станах показала, что предложенная методика работоспособна практически во всех возможных условиях реализации процесса холодной прокатки на действующих станах и обеспечивает получение расчетных данных с точностью не хуже 5-12 %.

Практическое значение полученных результатов заключается в разработке усовершенствованной методики расчета энергосиловых параметров при холодной прокатке, с использованием которой усовершенствованы режимы обжатий на непрерывном четырехклетевом стане 1680. Результаты работы использованы на ОАО “Запорожсталь” и на кафедре обработки металлов давлением Национальной металлургической академии Украины. деформація напруження прокатка штаб

Ключевые слова: холодная прокатка, полоса, стан, режим обжатий, контактные напряжения, сопротивление деформации, алгоритм, упругая деформация.



ABSTRACT

Konovodov D.V. Development of contact stresses calculation methods in view of the deformation zone kinematics for improving the modes of reduction at cold rolling. Manuscript.

Thesis for the candidate degree in engineering sciences in speciality 05.03.05 Processes and machines of metal forming. National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2007.

In the thesis the new decision of the scientific and technical problem which consists in definition of law of the contact stresses distribution at cold rolling of strips has been obtained in view of the deformation zone kinematics. A dependence has been obtained for determination of the average normal stress in the range of variation of the value of the ratio of the deformation zone length to the average strip thickness from 5 up to 50.

Theoretical determination of the contact stresses distribution in the deformation zone at cold rolling has been developed in view of different character of hardening steels. The technique has been developed and laws of distribution of resistance to deformation have been investigated in view of the influence of the temperature, speed and degree of deformation in the deformation zone at the cold rolling. A method has been developed for determination of the friction factor on experimental contact stresses epures. In such a way the influence of kinematical conditions on contact of the strip with roll has been taken into account.

The procedure for calculating the power-force parameters of the cold rolling process has been improved by means of which the use of modes of reduction on the continuous four-stand mill 1680 have been advanced.

Results of the thesis are used at the joint-stock company “Zaporizhstal”.

Key words: cold rolling, strip, mill, mode of reduction, contact stresses, resistance to deformation, algorithm, elastic deformation.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні холоднокатані листи та штаби займають приблизно 25% від обсягу випуску тонкого листа. Основна його маса виробляється на безперервних станах холодної прокатки. Для прокатки на цих станах необхідний розрахунок режимів обтисків. Для правильного розподілу обтисків по клітях стана і розрахунку енергосилових параметрів прокатки необхідно знати контактні напруження.

Існуючі методи розрахунку контактних напружень і режимів обтисків при холодній прокатці не дозволяють одержувати точні і надійні дані про енергосилові, кінематичні та температурні параметри процесу для всього діапазону товщин штаб, що виробляються. Це пояснюється тим, що при рішенні диференціального рівняння рівноваги сил не враховують вплив кінематики осередку деформації на напруження тертя. Крім того, при розрахунку контактних напружень не враховують розподіл опору деформації в зоні формозміни металу (який залежить від характеру зміцнення металу, зміни температури та швидкості деформації), що знижує точність визначення кінематичних і силових параметрів процесу холодної прокатки. Існують літературні дані про вплив розподілу опору деформації для обмеженого переліку марок сталей (менш 5), тобто відсутні дані для інших сталей, що обробляються холодною прокаткою.

Відсутність точної та працездатної методики розрахунку енергосилових параметрів практично для всього діапазону товщин штаб (ld/h_cp від 5 до 50), що виробляються холодною прокаткою, зокрема тонких, не дозволяє більш повно використовувати можливості існуючого устаткування, проектувати ефективні режими обтисків на діючих станах та станах, що проектуються. Тому робота, спрямована на вдосконалення методів розрахунку контактних напружень і режимів обтисків при холодній прокатці штаб з урахуванням кінематики, зміцнення металу і температурно-швидкісних умов деформації, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи відповідає напрямку наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконані в рамках програми та відповідної тематики держбюджетних науково-дослідних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ ДР №0100U000766, №0103U003217, №0106U002225, а також господарсько-договірних науково-дослідних робіт з ВАТ “Запоріжсталь” ДР №0104U004960, №0104U004961. Автор був виконавцем цих робіт.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є розвиток методу теоретичного визначення контактних напружень з урахуванням впливу кінематики осередку деформації при холодній прокатці штаб і розробка на основі отриманих закономірностей методики розрахунку енергосилових параметрів процесу холодної прокатки штаб, застосування якої дозволить удосконалити режими обтисків та підвищити ефективність використання устаткування безперервних та реверсивних станів холодної прокатки.

Для досягнення поставленої задачі були сформульовані такі завдання:

1. Удосконалити метод визначення нормальних контактних напружень при холодній прокатці з використанням закономірностей для напружень тертя, що враховують кінематичну взаємодію штаби з валком. Теоретично визначити діапазон розрахунку нормальних контактних напружень при холодній прокатці з використанням запропонованого методу.

2. Дослідити розподіл нормальних контактних напружень по осередку деформації з урахуванням впливу істинного характеру зміцнення конкретних марок сталей при холодній прокатці.

3. Розробити методику і дослідити розподіл опору деформації в зоні формозміни при холодній прокатці з урахуванням впливу ступеня, температури та швидкості деформації.

4. Уточнити метод визначення коефіцієнта тертя по експериментальних епюрах контактних напружень з урахуванням впливу кінематики осередку деформації.

5. На базі результатів теоретичних досліджень розробити формулу для розрахунку середньої величини нормальних контактних напружень при холодній прокатці у діапазоні зміни відношення довжини осередку деформації до середньої товщини штаби ld/h_cp від 5 до 50.

6. Розробити та експериментально перевірити уточнену методику розрахунку енергосилових параметрів процесу холодної прокатки.

7. Удосконалити режими обтисків на безперервних станах холодної прокатки.

Об'єкт дослідження. Процес холодної прокатки тонких штаб.

Предмет дослідження. Закономірність розподілу контактних напружень при холодній прокатці тонких штаб з урахуванням кінематики осередку деформації.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження, засновані на фундаментальних закономірностях теорії обробки металів тиском. Експериментальні лабораторні дослідження з застосуванням фізичного моделювання параметрів процесу холодної прокатки і використанням сучасної тензометричної апаратури. При обробці теоретичних і експериментальних даних було використано комп'ютерну техніку.

Наукова новизна. Наукову новизну мають перелічені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень, які вперше отримані в дисертації.

1. Вперше теоретично отримані дані про розподіл контактних напружень при холодній прокатці з урахуванням впливу кінематики осередку деформації на напруження тертя.

Розробка відрізняється використанням для рішення диференціального рівняння рівноваги сил при прокатці моделі напружень тертя, що враховує вплив відносної швидкості ковзання на напруження тертя в осередку деформації при холодній прокатці. Це дозволило одержати теоретичні епюри контактних напружень, що відповідають експериментальним епюрам для всього діапазону товщин холоднокатаних штаб, та отримати залежність для визначення середнього нормального напруження в діапазоні зміни відношення довжини осередку деформації до середньої товщини штаби ld/h_cp від 5 до 50.

2. Одержало розвиток теоретичне визначення закономірностей розподілу контактних напружень в осередку деформації при холодній прокатці з урахуванням різного характеру зміцнення сталей.

Розробка відрізняється урахуванням при визначенні контактних напружень істинного характеру зміцнення металу при холодній прокатці. Це дозволяє підвищити точність визначення кінематичних і силових параметрів процесу холодної прокатки (нейтрального перетину, випередження, моменту, сили прокатки та ін.).

3. Одержало подальший розвиток дослідження закономірностей розподілу опору деформації (з урахуванням впливу температури, швидкості і ступеня деформації) металу у зоні формозміни при холодній прокатці.

Розробка відрізняється від відомих урахуванням спільного впливу зміни ступеня деформації, температури металу і швидкості деформації на опір деформації практично для усіх металів і сплавів, що піддаються холодній прокатці. Це дає можливість підвищити точність визначення енергосилових параметрів при холодній прокатці.

4. Вперше встановлено, що в послідовних осередках деформації опір деформації в зоні формозміни розподіляється практично рівномірно при прокатці з сумарним обтиском більше 30-40 %, незалежно від характеру зміцнення металів і сплавів.

Розробка відрізняється тим, що при визначенні опору деформації врахована послідовна зміна температури, швидкості і ступеня деформації по всіх клітях (проходах) безперервного (реверсивного) стана при холодній прокатці. Це дозволяє при прокатці з сумарним обтиском більше 30-40 % приймати постійним значення опору деформації в зоні формозміни, що полегшує теоретичні дослідження при прокатці.

5. Одержав розвиток метод визначення коефіцієнта тертя по експериментальних епюрах контактних напружень.

Розробка відрізняється урахуванням кінематичних умов на контакті штаби з валком. Урахування впливу кінематичних умов дозволяє істотно підвищити точність визначення коефіцієнта тертя і енергосилових параметрів процесу.

Практичне значення отриманих результатів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики розрахунку енергосилових параметрів при холодній прокатці, яка дозволяє одержувати більш точну інформацію про параметри процесу та розробляти більш ефективні режими обтисків на діючих станах холодної прокатки. Також запропонована методика може бути використана при проектуванні нового прокатного устаткування та удосконаленні автоматизованих систем керування технологічним процесом.

Розроблена методика розрахунку поточного значення опору деформації в зоні формозміни при холодній прокатці з урахуванням впливу температури, швидкості і ступеня деформації. Запропонована методика дозволяє одержати дані про опір деформації практично для всіх марок сталей і сплавів, що піддаються холодній прокатці.

Корисними є дослідження, пов'язані з визначенням коефіцієнта тертя по експериментальних епюрах контактних напружень при холодній прокатці. Ці дослідження дають можливість одержувати надійні дані про коефіцієнт тертя по епюрах контактних напружень.

Результати дисертаційної роботи були використані при розробці методики розрахунку режимів обтисків і енергосилових параметрів для безперервного чотириклітьового стана холодної прокатки ВАТ “Запоріжсталь” (звіт про науково-дослідну роботу ДР №0104U004960).

На підставі результатів дисертаційної роботи розроблені та запропоновані до впровадження удосконалені режими обтисків на безперервному чотириклітьовому стані холодної прокатки ВАТ “Запоріжсталь”. Запропоновані режими обтисків прийняті до реалізації на даному стані (довідка від 09.11.2006 р.).

Результати, отримані в ході виконання дисертації, використовуються також в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при викладанні курсу “Виробництво штаб”, при виконанні студентами дипломних проектів, випускних магістерських і курсових науково-дослідних робіт (довідка від 15.11.2006р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Всі принципові теоретичні та експериментальні результати, які були отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, виконаних автором. Особистий внесок у спільних публікаціях (згідно з переліком опублікованих робіт): [1] - аналіз існуючих моделей напружень тертя для холодної прокатки, встановлення їхніх основних недоліків; [2] - вибір методу рішення для визначення нормальних контактних напружень при холодній прокатці, теоретичне визначення нормальних контактних напружень з використанням закономірностей для напружень тертя, що враховують кінематику процесу, порівняння отриманих результатів з відомими рішеннями; [3] - теоретичне визначення нормальних контактних напружень з урахуванням впливу характеру зміцнення сталей і сплавів, що піддаються холодній прокатці, аналіз отриманих результатів; [4] - розробка методики визначення зміни опору деформації уздовж осередку при холодній прокатці, з урахуванням зміни температури, швидкості і ступеня деформації в зоні формозміни; [5] - розробка методики визначення середньої величини нормальних контактних напружень при холодній прокатці; [6] - обґрунтування вдосконаленого методу визначення коефіцієнта тертя, обробка експериментальних епюр контактних напружень при холодній прокатці, одержання залежності коефіцієнта тертя від відносного обтиску; [7] - розрахунок теоретичних епюр контактних напружень при холодній прокатці, аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні” (м.Краматорськ, 2001 р., 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми і перспективи розвитку процесів та машин обробки тиском” (м.Краматорськ, 2002р.), VI Міжнародній науково-технічній конференції “Пластическая деформация металлов” (м. Дніпропетровськ, 2002 р.), VII Міжнародній науково-технічній конференції “Пластическая деформация металлов” (м. Дніпропетровськ, 2005 р.), об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України і прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (м. Дніпропетровськ, 2000 - 2006 р.р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 7 статтях у спеціалізованих виданнях і тематичних збірниках.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел з 120 найменувань, 4 додатків. Матеріали роботи викладені на 186 сторінках тексту, в тому числі 133 основного, у 31 рисунку, в 16 таблицях.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність її теми, визначені мета, задачі, об'єкт, предмет і методи дослідження, представлені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача і апробація результатів дисертації.

Основним завданням при розробці режиму обтисків є розрахунок енергосилових параметрів, насамперед сили прокатки. Для точного прогнозування сили при холодній прокатці необхідне точне визначення довжини осередку деформації і величини середнього нормального напруження р_ср (середнього тиску). Для розрахунку р_ср необхідно знати рівень і характер розподілу контактних напружень в осередку деформації. Для визначення контактних напружень найбільше поширення дістало сумісне рішення диференціального рівняння рівноваги сил при прокатці та рівняння пластичності. Одним з перших і найбільш відомим є рішення О.І. Целікова.

Аналіз наукової літератури показав, що основним недоліком існуючих рішень для визначення контактних напружень при холодній прокатці є використання некоректних моделей для розрахунку напружень тертя _х. У літературі відомо кілька десятків таких моделей. Зокрема, моделі А.Я. Семенюти; К.Н. Шевченко; О.П.Чекмарьова і І.І. Онищенко; В.І. Акуліна; Ю.І. Синельникова; В.А. Деркача, М.А. Зайкова і В.С. Целуйкова та ін. Накопичений досвід показав, що більшість із них не мають достатнього фізичного обґрунтування, відрізняються низькою точністю і обмеженим діапазоном працездатності. Найбільше поширення одержала модель:

, (1)

де f, p_х, - коефіцієнт тертя та нормальне контактне напруження в розглянутому перетині осередку деформації.

Рівень і розподіл напружень тертя, отриманих з використанням моделі (1), не відповідає експериментальним даним і приводить до істотного завищення впливу напружень тертя на нормальні напруження і р_ср при холодній прокатці.

В результаті рішень по визначенню контактних напружень при холодній прокатці з використанням різних моделей напружень тертя були запропоновані різні моделі для розрахунку середнього нормального напруження. У цей час відомо кілька десятків моделей для визначення р_ср. Найбільше поширення в інженерній практиці одержали моделі О.І. Целікова, А.А. Корольова, А.В. Третьякова, Є.С.Рокотяна, М.Д. Стоуна, Д.Бленда і Г.Форда, В. Робертса, В.М. Луговського. Однак сучасні наукові знання і нові експериментальні дані показали, що ці рішення та формули в багатьох випадках, насамперед при холодній прокатці тонких і особливо тонких штаб, тобто при значеннях параметра R/h₀500-750 (де R, h₀ - радіус робочого валка та початкова товщина штаби), не забезпечують одержання розрахункових даних про р_х і р_ср з необхідною точністю та надійністю.

При розрахунку режимів обтисків на станах холодної прокатки неточне визначення р_ср приводить до неточностей розрахунку енергосилових параметрів і, як наслідок, до нераціонального розподілу обтисків по клітям або проходам, що викликає нерівномірне завантаження устаткування, зниження продуктивності і погіршення якості продукції, що виробляється. Тому виникає завдання удосконалити методи розрахунку контактних напружень, енергосилових параметрів і режимів обтисків на станах холодної прокатки.

Аналіз наукових публікацій показав, що реальний процес холодної прокатки здійснюється в основному в умовах сухого або змішаного тертя, і для визначення напружень тертя повинний бути врахований, принаймні, вплив коефіцієнта тертя, нормальних контактних напружень і швидкості ковзання. Цим вимогам відповідають моделі (2) і (3), запропоновані Я.Д. Василевим, які можуть бути використані при теоретичному визначенні контактних напружень процесу холодної прокатки:

- для зони відставання

; (2)

- для зони випередження



,

де V_ск0х, р_0х, V_ск1х, р_1х - поточні значення швидкості ковзання і нормальних контактних напружень у перетині осередку деформації, що розглядається, відповідно в зонах відставання та випередження; V_ск0, V_ск1 - значення швидкості ковзання в перетинах входу і виходу з осередку деформації; f - коефіцієнт тертя; h₀, h₁ товщина штаби на вході і виході з осередку деформації; h_н, h_x - товщина штаби в нейтральному і розглянутому перетині.

Відмінною рисою цих моделей від відомих є те, що вони враховують вплив кінематичних умов на контакті на рівень і характер розподілу напружень тертя при прокатці.

Для одержання даних про точність моделей (2) і (3) були використані результати експериментальних досліджень (епюри) напружень тертя при холодній прокатці штаб зі сталей 08кп (h₀=1,2 мм), Ст. 3 (h₀=2,5; 4,0 мм) і алюмінію А1М (h₀=2,0; 4,0; 6,0 мм) шириною 240-400 мм на сухих валках, отримані П.І. Полухіним зі співавторами на лабораторному стані кварто 500 (205/360500) зі швидкістю 0,07 м/с.

Для кожної штаби, яка була прокатана на стані 500, по моделях (2) і (3) розраховували функцію

_x=(x/l_cе)

тобто будували теоретичну епюру напружень тертя. З цією метою осередок деформації ділили на 20 частин і для кожного перетину підраховували значення напружень тертя . Величину р_х, що відповідає даному перетину, знаходили з експериментальних епюр нормальних контактних напружень. Поточне значення товщини штаби h_х визначали з умови:

, (4)

де h_е, l_се - експериментальні значення абсолютного обтиску і довжини осередку деформації при прокатці; x - поточна координата.

Товщину штаби у нейтральному перетині h_н знаходили по формулі (4), підставляючи в неї значення х/l_се, що відповідає даному перетину, яке визначали на експериментальних епюрах напружень тертя. Значення коефіцієнта тертя для кожної конкретної штаби визначали за методикою, викладеної нижче.

Кількісну оцінку відхилення розрахункових значень напружень тертя від експериментальних робили за середнім значенням напружень тертя в зонах відставання та випередження. Встановлено, що розбіжності між середніми значеннями теоретичних _срт і експериментальних _сре напружень тертя не перевищують 3 - 15 %. Це означає, що моделі (2) і (3) забезпечують прогнозування епюр напружень тертя при холодній прокатці з задовільною точністю.

Як відомо, дані про коефіцієнт тертя f при прокатці, у тому числі холодній, одержують тільки експериментальним шляхом. Визначення коефіцієнта тертя по епюрах контактних напружень стало можливим у результаті розробки і реалізації методів експериментального дослідження розподілу нормальних напружень p_x і напружень тертя _x на контактній поверхні штаби за допомогою точечних месдоз. Однак для визначення коефіцієнта тертя по експериментальних епюрах контактних напружень необхідна коректна модель, що встановлює кількісний зв'язок між параметрами f, _x і p_x. Згідно моделей (2) і (3), при наявності експериментальних даних про V_ск0, V_ск1 і р_х, _х, V_скх хоча б в одному перетині осередку деформації по кожній з даних моделей може бути підрахований коефіцієнт тертя при прокатці. Однак через те, що коефіцієнт тертя при прокатці величина середньоінтегральна, його простіше, зручніше і надійніше обчислювати по середніх величинах напружень тертя _ср, нормальних напружень р_cp і середній відносній швидкості ковзання :

або ,

;

- середня відносна швидкість ковзання; l_вип, S - довжина зони випередження і величина випередження при прокатці.

З використанням моделі (6) був підрахований коефіцієнт тертя при холодній прокатці по епюрах контактних напружень, отриманих П.І. Полухіним зі співавторами на лабораторному стані кварто 500. Абсолютні значення коефіцієнта тертя, підраховані по моделі (6), і характер зміни залежностей f=(l_се/h_cp) побудованих по цих моделях, погоджуються з опублікованими в літературі даними, які були отримані іншими методами, що служить непрямим підтвердженням їхньої точності та надійності. Значення f, підраховані по моделі (6), перебувають у діапазоні 0,16 - 0,19 і з ростом l_се/h_cp та з ростом відносного обтиску при прокатці збільшуються.

З метою підвищення працездатності і точності рішень для визначення нормальних контактних напружень при тонколистовій прокатці запропоноване нове теоретичне рішення диференціального рівняння рівноваги з моделями тертя (2) і (3). Диференціальне рівняння рівноваги сил при тонколистовій прокатці представили у вигляді:



,

_т^*=_т=2k=const;

у_т, k - межа текучості і опір чистому зсуву матеріалу штаби; p_x, - поточне значення нормального контактного напруження та коефіцієнт Лоде.

Рішення рівняння (8) здійснювали, використовуючи допущення, прийняті О.І.Целіковим. Дугу контакту описували рівнянням прямої лінії. У результаті рішення одержали залежності:

- для зони відставання

,

, (12)

h, l - абсолютний обтиск та довжина осередку деформації;

- для зони випередження

Рішення рівнянь (10) і (13) здійснювали чисельним методом Рунге - Кутта. При реалізації методу Рунге- Кутта осередок деформації ділили на 20 частин. Положення нейтрального перетину знаходили методом ітерацій, тобто пошуком такого значення h_x, при якому значення p_x/2k у зоні відставання та випередження співпадають.

Для одержання даних про величину і характер зміни відносних величин нормальних контактних напружень p_x/2k і напружень тертя _x/k, тобто для побудови епюр p_x/2k і _x/k по рівняннях (2), (3), (10), (13), було виконане моделювання, що охоплювало практично весь діапазон умов деформації, реалізований на діючих станах холодної штабової прокатки (R = 300 мм; R/h₀ = 50-3000; = 0,01-0,40; f = 0,04-0,12).

Як приклад, на рис. 2 представлені епюри контактних напружень, отримані по рівняннях (2), (3), (10), (13). З рис. 2 видно, що епюри p_x/2k і _x/k, побудовані по запропонованому рішенню, мають куполоподібний вигляд, відрізняються плавним характером зміни і якісно відповідають експериментальним даним.

Практично всі опубліковані в літературі рішення по визначенню контактних напружень при холодній прокатці отримані при допущенні 2k=_т=const, тобто без урахування впливу зміцнення матеріалу штаби в осередку деформації. Ці рішення забезпечують задовільну точність прогнозування середньої величини нормальних контактних напружень, але не дозволяють одержувати точну інформацію про розподіл нормальних контактних напружень, про рівень і характер зміни кінематичних параметрів процесу і температури штаби, а також про момент і потужність прокатки.

У даній роботі запропоноване рішення для визначення розподілу контактних напружень при холодній прокатці з урахуванням істинного характеру зміцнення металу (сплаву), що деформується. Характер і інтенсивність зміцнення матеріалу штаби описується рівнянням:

, (14)

де ; (15)

_поп - попередній відносний обтиск штаби при холодній прокатці (частки одиниці); _тисх, m, k - вихідна межа текучості і коефіцієнти, що характеризують інтенсивність і характер зміцнення матеріалу штаби, які залежать від його хімічного складу. В основу цього рішення покладені рівняння (8), рівняння (2) і (3) для визначення напружень тертя і рівняння (14) для опису зміни межі текучості матеріалу штаби в осередку деформації. У результаті одержали наступні рівняння для опису нормальних контактних напружень відповідно для зони відставання (16) і випередження (17):

По рівнянням (16), (17) було виконане моделювання контактних напружень для сталей 08кп і 12Х18Н9. Вибір сталей 08кп і 12Х18Н9 для моделювання напружень при холодній прокатці був продиктований особливостями характеру і інтенсивністю їхнього зміцнення. При моделюванні використовували наступні вихідні дані: R = 300 мм; R/h₀ = 250-1500; = 0,1-0,4; _поп = 0,5-0,9; f = 0,05-0,10. Рішення рівнянь (16), (17) здійснювалося чисельним методом Рунге - Кутта. Значення межі текучості з урахуванням зміцнення при холодній прокатці сталей 08кп і 12Х18Н9 обчислювали по рівняннях і відповідно.

Епюри контактних напружень, отримані по рівняннях (16) і (17), порівнювали з епюрами, отриманими по рівняннях (10) і (13), тобто без урахування впливу зміцнення матеріалу штаби при холодній прокатці.

Видно, що епюри, побудовані з урахуванням впливу зміцнення (криві 1), мають яскраво виражений асиметричний характер. Вони відрізняються більшою інтенсивністю росту нормальних контактних напружень у зоні відставання і значно меншою довжиною зони випередження в порівнянні з епюрами, побудованими при постійному значенні межі текучості (криві 2). Разом з тим площі епюр нормальних напружень при _поп=0, підрахованих з урахуванням та без урахування впливу зміцнення матеріалу штаби, практично збігаються.

Це означає, що урахування зміцнення матеріалу штаби не відноситься до факторів, що впливають на точність при визначенні середньої величини нормальних контактних напружень. Достатньо, щоб цей вплив було враховано при визначенні величини опору деформації матеріалу штаби в осередку деформації.

Опір деформації матеріалу штаби (напруження текучості в осередку) _ф при прокатці входить прямим співмножником у всі формули (моделі) нормальних контактних напружень і впливає на їх точність. Тому необхідно мати точні дані про рівень та характер розподілу опору деформації матеріалу штаби при холодній прокатці.

Як відомо, опір деформації _ф при холодній прокатці залежить від хімічного складу матеріалу штаби, зміцнення, температури і швидкості деформації. Сукупність рівнянь, що відбивають закономірності і особливості зміни відповідних параметрів уздовж осередку деформації, складають методику розрахунку поточного значення опору деформації матеріалу штаби _фх при холодній прокатці, запропоновану в роботі. За допомогою цієї методики дослідили зміну опору деформації по довжині осередку деформації при холодній прокатці низьковуглецевої сталі 08кп і корозійностійкої стали 12Х18Н9, міді М0 і латуні Л90 на безперервних станах 1400, 1700 і 1000.

Загальним для всіх залежностей _тx = (х/l_c) є те, що значення _тx від перетину входу до перетину виходу штаби з валків збільшуються, причому зі збільшенням _поп інтенсивність росту _тx зменшується. Залежності _фx = (х/l_c) всіх досліджених металів (сплавів) якісно співпадають. Вони мають максимум, найбільш яскраво виражений при прокатці не наклепаного і слабо наклепаного металу. При _поп>0,2 - 0,4 опір деформації _фx розподіляється практично рівномірно по всій довжині осередку деформації.

Осередок деформації при холодній прокатці складається з ділянок пружного та пластичного контакту. Тому значення середнього нормального контактного напруження підраховують по формулі:

, (18)

, , - відносна довжина дільниць пружного стиску, пластичної деформації та пружного відновлення штаби відповідно; р₀, р₁ - нормальні напруження на границях пружно-пластичного контакту в зонах відставання та випередження.

Наявні в літературі результати досліджень показали, що точність розрахунку середнього контактного нормального напружень p_cpс залежить винятково від точності визначення середнього контактного нормального напруження в зоні пластичного контакту штаби з валком p_cpв. Всі відомі рішення для визначення p_cpв отримані при описі розподілу напружень тертя _x на контакті штаби з валком грубими моделями, зокрема моделлю (1). Із цієї причини всі рішення для визначення p_cpв відрізняються обмеженою працездатністю та незадовільною точністю.

У ході моделювання, що охоплювало практично весь діапазон умов холодної прокатки на діючих станах, значення радіуса робочих валків прийняли постійним (R = 300 мм), а відношення R/h₀ задавали змінним у межах від 100 до 3000. Частковий відносний обтиск змінювали від 0,05 до 0,40, що відповідає діапазону обтисків, що застосовують на діючих станах холодної прокатки. Варіювали також значення коефіцієнта тертя f у межах від 0,04 до 0,12, що відповідають умовам холодної прокатки на шліфованих і шорстких валках із застосуванням технологічного мастила.

за результатами виконаного моделювання побудовані графічні залежності n_ср=(l/h_ср) які були використані для визначення n_ср або p_cpв на ділянці пластичного контакту штаби з валком при холодній прокатці. У результаті їх апроксимації з точністю не гірше 6% одержали інженерні моделі для прогнозування n_ср і p_cpв при холодній прокатці:

; (19)

. (20)

З використанням моделі (20) запропонована нова формула для визначення p_cpс, що відбиває закономірності кінематичної і фрикційної взаємодії та особливості пружно-пластичного контакту штаби з валком при холодній прокатці:

,

де _т0, _т1 межа текучості на вході і виході з осередку деформації; х_0п, х_1п, l_в - довжина ділянок пружного і пластичного контакту штаби з валком відповідно; _п, _фср - коефіцієнт Пуассона та середнє значення опору деформації матеріалу штаби при прокатці; ₀, ₁, _ср - коефіцієнти, що враховують вплив заднього і переднього питомого натягу, а також їх середнього значення відповідно на _т0, _т1 і _фср.

Однією з найбільш точних і сучасних методик для розрахунку енергосилових параметрів холодної прокатки є методика, запропонована Я.Д. Василевим. Слабким місцем даної методики є модель p_cpв. Тому для розрахунку p_cpв, а отже і p_cpс, при холодній прокатці тонких і особливо тонких штаб застосовуються порівняно низькі значення f. Відзначені недоліки усуваються у випадку застосування моделі (21) для визначення середнього нормального напруження p_cpc при холодній прокатці.

З використанням моделі (21) розроблена уточнена методика розрахунку енергосилових параметрів процесу холодної прокатки. Експериментальна перевірка точності запропонованої методики, виконана в лабораторних (стан 200 кафедри ОМТ НМетАУ) і промислових умовах (безперервні стани холодної прокатки 1680 ВАТ “Запоріжсталь”, 1700 ВАТ “Северсталь”, 1700 ВАТ “ИСПАТ-КАРМЕТ” і 1400 ВАТ “ИСПАТ-КАРМЕТ”), показала, що вона працездатна практично у всіх умовах реалізації процесу холодної прокатки і забезпечує одержання розрахункових даних з точністю не гірше 5-12 %. Така точність є цілком прийнятною при виконанні технологічних розрахунків і дозволяє рекомендувати запропоновану методику розрахунку параметрів процесу холодної прокатки для практичного застосування в інженерній практиці.

На базі уточненої методики розрахунку параметрів процесу холодної прокатки розроблено алгоритм розрахунку режимів обтисків на безперервних станах. Алгоритм реалізовано на безперервному чотириклітьовому стані 1680 ВАТ „Запоріжсталь”.

Результати проведених досліджень у рамках науково-дослідної роботи кафедри ОМТ НМетАУ з комбінатом “Запоріжсталь” показали, що реалізація існуючих на стані 1680 режимів обтисків приводить до значної нерівномірності завантаження механічного і електричного устаткування стана. Це погіршує умови експлуатації та знижує ефективність використання устаткування чотириклітьового стана 1680 і вказує на необхідність удосконалювання режимів обтисків. Крім того, відсутні відомості про енергетичну ефективність застосовуваних на цьому стані режимів обтисків.

Для одержання кількісних даних про завантаження механічного і електричного устаткування, витрати електричної енергії, а також для встановлення можливості збільшення продуктивності за рахунок збільшення швидкості прокатки при дотриманні існуючих технологічних обмежень були виконані розрахунки режимів обтисків і енергосилових параметрів на чотириклітьовому стані 1680 з використанням розробленого алгоритму. Розрахунки виконували для прокату з низьковуглецевих сталей, що становлять переважну частину сортаменту стана.

Були виконані розрахунки параметрів процесу при прокатці штаб по існуючим (рекомендованим технологічною інструкцією) та вдосконаленим режимам обтисків і натягів. Удосконалення режимів обтисків досягалося за рахунок зміни і більш раціонального розподілу часткових обтисків і питомих натягів по клітях стана. При цьому всі вихідні дані приймалися однаковими, що забезпечувало створення необхідних умов для подальшого коректного аналізу і порівняння отриманих результатів.

Результати розрахунків і опробування удосконалених режимів показали, що за рахунок зміни режимів обтисків та натягу може бути зменшено питому витрату електричної енергії на 0,1-1,2 кВт ч/т. Однак енергетично вигідні режими обтисків у порівнянні з існуючими збільшують нерівномірність завантаження механічного та електричного устаткування, що в умовах стана 1680 є неприйнятним.

Більш ефективним виявилось удосконалення режимів обтисків з метою зменшення нерівномірності завантаження механічного та електричного устаткування. Було встановлено, що застосування вдосконалених режимів обтисків дозволяє розвантажити четверту кліть і забезпечує більш рівномірне завантаження перших трьох клітей стана по потужності, що дозволяє збільшити швидкість прокатки для аналізованих режимів обтисків на 0,3-0,8 м/с. Випробування вдосконалених режимів обтисків підтвердило відзначені вище переваги, а також можливість і доцільність їхньої реалізації. Впровадження запропонованих режимів обтисків дозволить за рахунок збільшення швидкості прокатки збільшити середньогодинну продуктивність стана 1680 при прокатці окремих сорторозмірів на 2,2-3,6 %.



ВИсновкИ

У дисертації виконане теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, яка полягає у розвитку методу розрахунку контактних напружень з урахуванням кінематики осередку деформації, удосконаленні методики розрахунку енергосилових параметрів та режимів обтисків на безперервному стані холодної прокатки з урахуванням кінематики, зміцнення металу і температурно-швидкісних умов деформації.

1. Виконано аналіз сучасного стану теорії та технології холодної прокатки, вивчені і проаналізовані відомі теоретичні рішення по визначенню контактних напружень при тонколистовій, у тому числі холодній, прокатці. Встановлено, що основною причиною обмеженої працездатності та незадовільної точності теоретичних формул для визначення нормальних контактних напружень при тонколистовій прокатці є застосування грубих моделей для опису напружень тертя на контакті штаби з валком. Тому дослідження, спрямовані на вдосконалення методів і підвищення точності розрахунку контактних напружень, і, як наслідок, енергосилових параметрів та режимів обтисків з урахуванням кінематики, зміцнення металу і температурно-швидкісних умов деформації, є актуальними.

2. Досліджено точність моделей напружень тертя, що враховують кінематичні умови на контакті штаби з валками при холодній прокатці. Встановлено, що зазначені моделі забезпечують опис епюр напружень тертя при холодній прокатці якісно вірно та кількісно точно. Результати виконаного дослідження показали, що розрахункові значення напружень тертя відрізняються від експериментальних не більше ніж на 3-15 %.

3. Запропоновано нове рішення диференціального рівняння рівноваги сил для визначення нормальних контактних напружень при холодній прокатці з використанням моделі напружень тертя, що враховує кінематичні умови на контакті штаби з валком. Теоретично отримані нові дані про розподіл контактних напружень при холодній прокатці з урахуванням впливу кінематики осередку деформації.

4. Отримано теоретичне рішення для визначення контактних напружень, що враховує вплив зміцнення матеріалу штаби при холодній прокатці. Показано вплив особливостей зміцнення матеріалу штаби на розподіл контактних напружень в осередку деформації при холодній прокатці. Урахування впливу даного фактора дозволяє підвищити точність визначення енергосилових, кінематичних і температурних параметрів процесу холодної прокатки. Результати виконаного моделювання показали, що зміцнення матеріалу штаби впливає на розподіл контактних напружень при _поп < 0,15-0,25, тобто в діапазоні обтисків, що відповідають найбільш інтенсивному наклепу металу (сплаву), що деформується.

5. Розроблена та реалізована методика для визначення опору деформації матеріалу штаби по довжині зони формозміни при холодній прокатці з урахуванням впливу температури, швидкості і ступеня деформації. Вперше встановлено, що тільки в перших клітях безперервних станів холодної прокатки, тобто при <0,2-0,4, розподіл опору деформації в зоні формозміни відрізняється певною нерівномірністю. У всіх інших клітях, тобто при 0,2-0,4, опір деформації по довжині зони формозміни розподіляється практично рівномірно, незалежно від характеру зміцнення сталі.

6. Одержав розвиток метод визначення коефіцієнта тертя по експериментальних епюрах контактних напружень. Показано, що при визначенні коефіцієнта тертя по експериментальних епюрах необхідно враховувати кінематичні умови на контакті штаби з валком. Урахування впливу кінематичних умов дозволяє істотно підвищити точність визначення коефіцієнта тертя та енергосилових параметрів процесу.

7. Отримано нову залежність для визначення середнього нормального напруження при холодній прокатці штаб з урахуванням впливу кінематики осередку деформації на напруження тертя. Запропонована залежність для розрахунку середнього нормального напруження працездатна в діапазоні зміни параметра ld/h_cp від 5 до 50. Виконане експериментальне дослідження середніх нормальних напружень на лабораторному стані 200 НМетАУ із застосуванням і без застосування технологічного мастила в широкому діапазоні зміни деформаційних, температурних і швидкісних умов прокатки показало, що розбіжність між експериментальними та розрахунковими значеннями не перевищують 2-10 %. Це свідчить про задовільну точність нової формули для визначення середнього нормального контактного напруження при холодній прокатці і дає підставу рекомендувати її для практичного застосування.

8. На основі результатів, отриманих у ході виконання роботи, і новітніх досліджень процесу холодної штабової прокатки, опублікованих у літературі, розроблена вдосконалена методика розрахунку енергосилових, температурних і кінематичних параметрів процесу холодної прокатки. Експериментальна перевірка точності і працездатності запропонованої методики показала, що вона працездатна практично у всіх можливих умовах реалізації процесу холодної прокатки на діючих станах і забезпечує одержання розрахункових даних з точністю не гірше 5-12 %.

9. На базі уточненої методики розрахунку енергосилових параметрів процесу холодної прокатки розроблено алгоритм розрахунку режимів обтисків на безперервному чотириклітьовому стані 1680 ВАТ „Запоріжсталь”, призначений для проектування нових і вдосконалювання існуючих на цьому стані режимів обтисків. Розроблені та випробувані вдосконалені режими обтисків, що забезпечують більш рівномірне завантаження механічного і електричного устаткування, що дозволило збільшити швидкість прокатки на безперервному чотириклітьовому стані 1680 відповідно на 2,5 - 3,9 %. Випробування вдосконалених режимів обтисків показало, що в результаті їхнього застосування середня годинна продуктивність стана може бути збільшена на 2,2 - 3,6%.

10. Результати дисертаційної роботи використані на ВАТ “Запоріжсталь”, при вдосконаленні режимів обтисків на безперервному чотириклітьовому стані холодної прокатки (довідка від 09.11.2006 р.), а також на кафедрі обробки металів тиском Національної металургійної академії України при викладанні лекцій по дисципліні “Виробництво штаб”, виконанні студентами дипломних проектів, магістерських і курсових науково-дослідних робіт (довідка від 15.11.2006 р.).



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ

1. Василев Я.Д., Дементиенко А.В., Коноводов Д.В. Анализ моделей напряжений трения при прокатке // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні: Тематичний зб. наук. праць. - Краматорськ, 2001. - С. 532 - 537.

2. Василев Я.Д., Коноводов Д.В., Дементиенко А.В. Определение контактных напряжений при тонколистовой прокатке // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематичний зб. наук. праць. - Краматорськ, 2002. - С. 277 - 283.

3. Коноводов Д.В., Дементиенко А.В. Влияние упрочнения на распределение контактных напряжений при холодной прокатке // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. - Т.8. Пластична деформація металів. - Дніпропетровськ: „Системні технології”. - 2005. - С. 49 - 53.

4. Василев Я.Д., Коноводов Д.В, Дементиенко А.В., Василев Э.Я. Исследование напряжения текучести материала полосы по длине очага деформации при холодной прокатке // Теория и практика металлургии. - 2005. - №3. - С.17-24.

5. Василев Я.Д., Коноводов Д.В, Дементиенко А.В. Инженерная модель средних нормальных контактных напряжений при холодной прокатке // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - № 1. - С. 46 - 48.