Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Влияние технологического процесса на эффективность производства стальной проволоки 10
1.2 Применение холодной прокатки при изготовлении проволоки 13
1.3 Комбинированные и модульные способы изготовления проволоки 21
1.4 Методы компьютерного моделирования процессов пластической деформации 27
1.5 Постановка цели и задач исследования 30
2 Анализ напряженного состояния при прокатке и волочении 33
2.1 Адаптация конечно-элементного моделирования к процессам холодной прокатки и волочения проволоки 33
2.2 Проверка адекватности конечно-элементной модели 36
2.3 Закономерности распределения напряжений при прокатке в классических системах калибров 47
2.4 Сравнительный анализ напряженного состояния проволоки при прокатке и волочении 51
2.5 Выводы по главе 55
3 Исследование влияния калибровки и технологических параметров прокатки на напряженное состояние проволоки 57
3.1 Влияние калибровки валков на напряженное состояние металла 57
3.1.1 Двухвалковые системы калибров 57
3.1.2 Многовалковые системы калибров 61
3.2 Влияние технологических параметров прокатки на напряженное состояние 66
3.2.1 Влияние степени деформации и заполнения калибров на напряженное состояние металла 66
3.2.2 Влияние фактора формы на напряженное состояние металла
3.3 Классификация систем калибров по напряженному состоянию 71
3.4 Выводы по главе 74
4 Исследование напряженного состояния в комбинированных и модульных способах деформации и разработка рекомендаций по совершенствованию технологии изготовления проволоки на их основе 76
4.1 Оценка напряженного состояния в процессе «прокатка-прессование» 76
4.2 Оценка напряженного состояния в процессе «прокатка-волочение с подпором» 82
4.3 Оценка деформируемости проволоки при модульных способах деформации 86
4.4 Предлагаемые решения по совершенствованию действующих и проектированию новых технологических схем производства проволоки 94
4.5 Выводы по главе 99
Заключение 102
Список литературы 105
- Комбинированные и модульные способы изготовления проволоки
- Закономерности распределения напряжений при прокатке в классических системах калибров
- Влияние степени деформации и заполнения калибров на напряженное состояние металла
- Оценка деформируемости проволоки при модульных способах деформации
Введение к работе
Актуальность работы. Проволока является одним из основных видов метизов и ее конкурентоспособность во многом определяет эффективность метизного передела и металлургии в целом. Механические свойства проволоки и затраты на ее производство зависят от качества и стоимости катанки, а также от применяемого производственного процесса, показателем уровня которого является способ обработки металла давлением (ОМД). Одним из главных показателей эффективности способа ОМД является схема главных напряжений, определяющая деформируемость, сопротивление деформации, пластические свойства проволоки, а в конечном счете - производственные затраты и качество проволоки. Особенно это важно в процессах холодной пластической деформации.
Холодная сортовая прокатка проволоки, как альтернатива волочению в монолитных волоках, в силу своих преимуществ, за сравнительно короткий срок вышла на стадию промышленного применения. Однако конкурентоспособной волочению при массовом производстве проволоки она к настоящему времени не стала. Одной из основных причин этого является недостаточная изученность закономерностей изменения напряженного состояния в этом процессе. Связано это с большими сложностями измерения напряжений непосредственно в очаге деформации, ограниченными возможностями применяемых до настоящего времени математических методов исследования и способов их практической реализации.
Современные методы компьютерного моделирования на базе метода конечных элементов позволяют решить указанную проблему. В связи с этим поиск технических решений по повышению эффективности производства проволоки на основе исследований напряженного состояния металла в процессе деформирования прокаткой является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с госзаданием Министерства образования и науки Российской Федерации Магнитогорскому государственному техническому университету им. Г.И. Носова, договор 11.1525.2014.
Степень разработанности
Диссертация является законченным научным трудом, в котором решена актуальная задача повышения эффективности производства проволоки за счет определения закономерностей изменения напряженного состояния при деформации холодной прокаткой и модульно-комбинированными способами на ее основе и разработки научно-обоснованных технических решений применения данных способов в технологических процессах изготовления проволоки.
Цель работы: определение закономерностей изменения напряженного состояния при деформации проволоки холодной прокаткой и модульно-комбинированными способами на ее основе и разработка научно-обоснованных технических решений по повышению эффективности производства проволоки различного назначения.
Указанная цель реализуется путем решения следующих задач:
-
Постановка задачи конечно-элементного моделирования деформации проволоки волочением, прокаткой и другими способами на ее основе.
-
Исследование влияния параметров калибровки валков на напряженное состояние в очаге деформации при холодной сортовой прокатке проволоки.
-
Исследование напряженного состояния металла при комбинированных и модульных способах деформации.
-
Разработка рекомендаций по совершенствованию технологических схем и оборудования для деформирования проволоки прокаткой.
Научная новизна работы
Впервые определены закономерности распределения напряжений в фактическом очаге деформации при холодной сортовой прокатке в двух- и многовалковых системах калибров, и показано, что:
на поверхности проволоки во входной и выходной внеконтактных зонах, свободных поверхностях в разъемах калибров и в осевой зоне локализуются преимущественно продольные растягивающие напряжения, величина которых определяется калибровкой валков (количество валков, соотношение формы и размеров калибра и заготовки), степенью деформации, значением фактора формы l/hср ;
при холодной сортовой прокатке зона пониженной деформируемости локализуется в поверхностных, а не в центральных, как при волочении в монолитной волоке, слоях проволоки, причем при многовалковой прокатке интенсивность снижения ресурса пластичности в центральных слоях выше, а в поверхностных - ниже, чем при двухвалковой;
способ «прокатка-прессование» в неприводных валках обеспечивает значительное снижение доли растягивающих напряжений в очаге деформации неприводного калибра, что способствует повышению запаса пластичности проволоки, особенно в ее центре, по сравнению с традиционной прокаткой.
Теоретическая значимость работы:
методика проектирования калибровок валков для станов холодной сортовой прокатки дополнена рекомендациями по выбору систем калибров с учетом прогнозирования напряженного состоянии металла в очаге деформации;
теория проектирования технологических процессов производства проволоки дополнена рекомендациями по применению модульно-комбинированных способов прокатка-прессование и прокатка-волочение с подпором.
Практическая значимость работы
1 Разработанные рекомендации по выбору калибровок валков, применению модульных, комбинированных и модульно-комбинированных способов деформации позволяют путем управления напряженным состоянием металла в очаге деформации повысить деформируемость проволоки, увеличить единичную и суммарную деформации, сократить количество промежуточных термо-
обработок и сопутствующих операций, повысить комплекс механических свойств готовой проволоки.
2 Предложенный для реализации волочения с подпором прокатно-волочильный модуль позволяет без коренных изменений внедрить в производственный процесс изготовления круглой проволоки более эффективный способ холодной сортовой прокатки.
Методология и методы исследований
Исследование напряженного состояния металла при деформировании различными способами осуществлялось на основе метода конечных элементов с использованием программного комплекса «DEFORM-3D»
Реализация работы
-
Разработанные в результате диссертационного исследования технические предложения по совершенствованию прокатки проволоки различного назначения переданы для опытной апробации на пятиклетьевом стане с четы-рехвалковыми калибрами в условиях АО «Белорецкий металлургический комбинат» (БМК).
-
Результаты исследования используются в учебном процессе кафедры технологии обработки материалов ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова» при подготовке бакалавров, магистрантов и аспирантов по направлениям «Металлургия» и «Технологии материалов».
Положения, выносимые на защиту:
закономерности распределения напряжений в очаге деформации при прокатке в двух- и многовалковых системах калибров;
закономерности локализации зон пониженного ресурса пластичности в отдельных объемах металла при прокатке и волочении;
возможности управления напряженным состоянием при комбинированных способах деформации проволоки;
направления совершенствования технологического процесса изготовления круглой стальной проволоки на основе применения модульных и модульно-комбинированных способов деформации.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена применением современной апробированной методики исследования напряженно-деформированного состояния металлов методом конечно-элементного моделирования; качественным и количественным совпадением экспериментальных данных, представленных в известной литературе, и результатов моделирования аналогичных задач по описанной методике; промышленным апробированием процесса холодной прокатки проволоки, с применением исследованных калибровок валков, и способа прокатка-прессование.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях:
- на 70-74-ей межрегиональных научно-технических конференциях
«Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магни
тогорск. 2012-2016 гг.);
на IV Международной научно-теоретической конференции «Ресурсосбережение и энергоэффективность процессов и оборудования обработки давлением в машиностроении и металлургии» (Украина, г. Харьков. 2012 г.);
на VI Международной научной конференции «Европейская наука и технологии» (Германия, г. Мюнхен. 2013.);
На 10-й международной научно-практической конференции «Перспективные исследования» (Болгария, г. София. 2014 г.);
на XIV международной научно-технической конференции молодых специалистов (Магнитогорск. 2014 г.);
на международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства» (Магнитогорск. 2015 г.);
на XIX международной научно-практической конференции «Металлургия: технологии, инновации, качество» (г. Новокузнецк. 2015 г.)
Публикации
Результаты работы отражены в 18-ти статьях, в т.ч. в восьми статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, и в 1 статье, входящей в международную базу цитирования «Scopus».
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 185 наименований. Общий объем диссертации 128 страниц машинописного текста, в том числе 47 рисунков, 11 таблиц, 2 приложения.
Комбинированные и модульные способы изготовления проволоки
Холодная прокатка, как альтернатива основному способу изготовления проволоки - волочению, известна с середины прошлого века [16]. Внедрение прокатки в проволочное производство обосновывалось рядом преимуществ перед волочением: при прокатке обеспечивается более благоприятное напряженно-деформированное состояние металла, контактные и температурные условия, отсутствуют ограничения процесса по прочности переднего конца заготовки, упрощается заправка стана. Эти преимущества на практике позволяли улучшить качество производимой проволоки, сократить цикл производства, повысить производительность оборудования за счет увеличенной скорости обработки, увеличить единичную и суммарную деформации металла. Способ прокатки в многовалковых калибрах на заре освоения в 50-60-е гг. XXв. был признан наиболее перспективным и эффективным для изготовления длинномерных изделий [16-18].
Однако прокатка по сравнению с волочением характеризовалась более сложным оборудованием и инструментом, а для ее успешного применения требовалось проведение большого комплекса теоретических исследований.
Прокатку в многовалковых калибрах исследовали у нас в стране и за рубежом наиболее активно в 60-90-е гг. XX в. [19-23]. В промышленном применении наибольшее распространение получили трехвалковые станы «Micro» итальянской компании «CONTINUUS-PROPERZI». Это многоклетьевые (чаще всего 12 клетей) компактные непрерывные станы с групповым или комбинированным приводом для прокатки проволоки из цветных металлов, в основном, алюминия, меди и их сплавов, а также стальной проволоки круглого и периодического профиля. Скорость прокатки на этих станах достигает 30 м/с. Диаметр готовой проволоки – 1,6-3,2 мм, заготовки – 5,5-12,0 мм. Диаметр валков 150-250 мм [24]. Компания «CONTINUUS-PROPERZI» проектирует станы «Micro» и в настоящее время.
В нашей стране исследования по разработке теории и технологии прокатки проволоки проводили во ВНИИМЕТМАШе, Челябинском политехническом ин 14 ституте (сейчас ЮУрГУ), Магнитогорском горно-металлургическом институте (сейчас МГТУ им. Г.И. Носова) [24]. В последние годы направление применения многовалковой прокатки при изготовлении проволоки получило развитие в Украине [25-28]. ВНИИМЕТМАШ разрабатывал технологию и проектировал оборудование для прокатки проволоки в двухвалковых калибрах. Ученые ЧПИ под руководством Выдрина В.Н., Баркова Л.А., Шеркунова В.Г. и др. проводили теоретические исследования деформации металлов прокаткой в четырехвалковых калибрах, разрабатывали технологические процессы и конструкции станов преимущественно для горячей прокатки прутков и проволочной заготовки из ванадия, молибдена, высоколегированных стальных сплавов на основе никеля и титана [29, 30].
В МГМИ проводили исследования по разработке технологии производства стальной проволоки прокаткой в многовалковых калибрах, прежде всего из высоколегированных сталей и сплавов. Первые теоретические работы и исследования многовалковой прокатки в МГМИ начались в 1954 году под руководством Бояр-шинова М.И. и Скороходова Н.Е. В последующем теорию многовалковой прокатки развивали Поляков М.Г., Никифоров Б.А., Гун Г.С., Стеблянко В.Л., Кокови-хин Ю.И., Манин В.П. и др. Освоение нового способа ОМД осуществлялось последовательно через лабораторный, полупромышленный и промышленный этапы [31-33]. Промышленный этап освоения прокатки проволоки проходил на Бело-рецком металлургическом комбинате, где в 1977 и 1978 гг. были установлены два стана с многовалковыми калибрами.
Основы теории процесса многовалковой прокатки: математическое описание, закономерности формоизменения и течения металла, кинематика процесса, температурные и энергосиловые условия деформации хорошо изучены и сформулированы в работах Бояршинова М.И. [16, 17], Полякова М.Г., Гуна Г.С. [34], Никифорова Б.А. [34-36], Выдрина В.Н., Баркова Л.А. [29], Шеркунова В.Г. [37] и др. [38-40].
При внедрении многовалковой прокатки в промышленное производство были подтверждены ее основные преимущества с точки зрения формирования свойств проволоки. Катаная проволока по сравнению с холоднотянутой имеет улучшенный комплекс механических свойств [41-43]. Также при прокатке существенно упрощается заправка стана, сокращаются специальные операции по подготовке поверхности заготовки к деформированию. Эти преимущества в большей степени проявляются при деформировании малопластичных металлов и сплавов, а также проволоки больших диаметров. Для некоторых процессов, таких как деформирование титана и его сплавов, прокатка впоследствии стала практически безальтернативным эффективным способом изготовления.
Однако в ходе промышленного освоения прокатки проволоки обозначились проблемы, основной из которых являлась недостаточная устойчивость раската в калибрах. Традиционные вытяжные системы многовалковых калибров, проекти руемые по принципу «вписанных фигур», с высокими теоретическими коэффици ентами вытяжки: квадрат-квадрат, треугольник-треугольник, квадрат восьмиугольник и другие оказались непригодны для промышленного применения. Прокатка по таким схемам с полным заполнением оказалась фактически невоз можной.
Впоследствии подход к проектированию калибровок валков изменился. Б.А. Никифоровым в работах [44, 45] предложено осуществлять выбор систем калибров и проектирование режимов деформации с учетом неполного заполнения калибров и расчета ограничений по скручивающему моменту раската при обжатии. Подход к проектированию калибровок с учетом обеспечения устойчивости раската предложен также в работах Шеркунова В.Г. [37] и Коковихина Ю.И. [46] для случая волочения в роликовых волоках.
В результате для промышленных станов основными стали системы калибров, в которых прокатка осуществляется с неполным заполнением и системы с заведомо низкой вытяжной способностью (например, стрельчатые калибры с вогнутым дном), но обеспечивающей устойчивость раската в калибре, а также системы, проектируемые по схеме «круг-фасонное сечение-круг». Фактические вытяжки таких систем невелики и достигают значений 1,2-1,4 [44, 45], что сопоставимо с волочением в монолитных волоках.
Закономерности распределения напряжений при прокатке в классических системах калибров
Наличие данной зоны характерно для всех многовалковых систем калибров, а также для двухвалковых систем для случаев прокатки по схемам «неравноосное-равноосное» или «неравноосное-неравноосное» сечение.
В многовалковых системах на величину осевых напряжений также оказывает влияние всестороннее обжатие металла. При всесторонней деформации при-контактных слоев возникает соответствующее отставание слоев металла в центральной зоне, компенсируемое возникающими в металле растягивающими напряжениями (рисунок 15).
Распределение полей интенсивности деформаций (а) и продольных напряжений ох(6) в поперечном сечении треугольной полосы при прокатке в круглом калибре на расстоянии 10 % длины очага деформации Зона II – внеконтакная зона по всей боковой поверхности проката в местах разъемов калибра. Наличие зоны характерно для любых систем калибров. Действие растягивающих напряжений во внеконтакных областях на боковой поверхности раската является общеизвестным фактом и описывалось ранее. Неконтакти-рующие с инструментом объемы металла деформируются за счет возникающих непосредственно в металле дополнительных растягивающих напряжений.
Зона III – внеконтакная зона по всей поверхности проката на выходе из очага деформации. Наличие зоны характерно для всех систем калибров и связано с явлением «опережения» при прокатке. Внутренние слои металла стремятся «выйти» из очага деформации с большей скоростью по отношению к линейной скорости вращения валков, которые в свою очередь «сдерживают» это течение. В результате в приконтактных слоях возникают продольные растягивающие напряжения. Пластической деформации в данной области уже нет, поэтому влияние данных напряжений на свойства проката незначительно.
Зона IV – внеконтакная зона на входе в очаг деформации. Действие растягивающих напряжений в данной области является результатом неравномерного «втягивающего» воздействия со стороны прокатных валков. Пластическая деформация здесь, как и в зоне III отсутствует, поэтому влияние напряжений на входе в очаг на качество проката также незначительно. Наличие данной зоны зависит от схемы прокатки.
В некоторых случаях возможно действие растягивающих напряжений на контактной поверхности при скольжении металла в зоне опережения очага деформации.
Проведенный анализ распределения рассчитанных значений критерия разрушения D по сечению прокатываемых по различным схемам заготовок (рисунок 16) показал, что наибольшее влияние на пластичность металла оказывают осевые напряжения в зоне I и внеконтактные в зоне II очага деформации. Значения критерия разрушения D в данных зонах в десятки раз выше, чем в остальных объемах металла. Объемы металла, в которых действуют данные напряжения, наиболее подвержены разрушению в процессе деформации или последующей эксплуатации, поэтому дальнейшие исследования были направлены преимущественно на изучение факторов, влияющих на величину напряжений в зонах I и II.
При волочении и прокатке реализуются различные механические схемы деформации. С целью выявления преимуществ и недостатков каждого способа с точки зрения формирования в металле наиболее благоприятной схемы напряженного состояния проводился сравнительный анализ волочения и прокатки в приближенных условиях [166, 167].
Моделировались задачи деформирования круглого профиля за два прохода волочением в монолитной волоке, прокаткой в двухвалковых и трехвалковых клетях. Диаметр исходной заготовки 16,0 мм, готовой проволоки – 12,6 мм. Исходные условия моделирования рассматриваемых процессов выбирались исходя из практического опыта их применения. Угол рабочего конуса волоки 10. Длина калибрующего пояска волоки 2 мм. Диаметр прокатных валков 370 мм. Коэффициент трения при волочении 0,05. Коэффициент трения при прокатке 0,10. Скорость волочения и прокатки одинакова и составляет 2 м/с. Материал заготовки AISI-1070 (аналог стали 70). При прокатке использовались традиционно применяемые калибровки: «круг-плоский овал-круг» и «круг-треугольник-круг».
По результатам моделирования получен характер распределения напряжений в очаге деформации при волочении, сопоставимый с известными положениями. Для волочения в монолитной волоке характерно действие растягивающих напряжений в осевой части заготовки в очаге деформации (рисунок 17, зона II), а также в поверхностном слое на входе и выходе из волоки (рисунок 17, зоны I, III). Растягивающему воздействию также подвержен весь передний конец заготовки, к которому приложено тянущее усилие.
Влияние степени деформации и заполнения калибров на напряженное состояние металла
Влияние степени деформации и заполнения калибра на напряженное состояние металла в очаге деформации исследовалось на примере прокатки круглой полосы в квадратном четырехвалковом калибре [160, 169]. Для этого при неизменных размерах калибра варьировали размеры исходной заготовки, и, соответственно, степень деформации и заполнение квадратного калибра. Исходные условия моделирования процесса прокатки:
Диаметр исходного профиля 7,0; 6,5; 6,0 мм Коэффициент вытяжки 1,55; 1,35; 1,19 Коэффициент трения (по закону Кулона) 0,10 Диаметр валков 248 мм Материал заготовки AISI-1045 (сталь 45) Скорость прокатки (зависит от вытяжки) 5,5-6,0 м/с Сторона квадрата готового профиля 5 мм Анализировали распределение растягивающих напряжений по длине очага деформации в осевой (зона I) и внеконтактной зонах (зона II).
При анализе распределения по длине очага деформации растягивающих напряжений на боковой поверхности раската в зоне II (рисунки 27, 28), отмечено, что характер напряжений в месте разъема калибра зависит от площади свободной поверхности. На всей свободной поверхности действуют растягивающие напряжения, которые являются следствием «отставания» течения слоев металла, не контактирующих с инструментом. Величина напряжений в зоне II не зависит от степени деформации и заполнения калибра. На той протяженности внеконтакной зоны, которая соответствует длине очага деформации с минимальным заполнени 67 ем калибра (начальный этап деформации), величина растягивающих напряжений практически одинакова для всех рассмотренных случаев. Так, максимального значения данные напряжения достигают на расстоянии 10-60 % от длины очага деформации и составляют 700-850 МПа для рассматриваемых условий.
Характерной особенностью прокатки с полным заполнением калибра (w=1,55) является снижение величины растягивающих напряжений (более чем в 2 раза) на расстоянии 70-80 % от входа в очаг деформации. Затем растягивающие напряжения в данной зоне вновь возрастают до уровня 70-80 % (500-550 МПа) от максимальных и действуют как в пределах геометрического очага деформации, так и за плоскостью выхода, но уже по всей поверхности проката. Снижение уровня напряжений можно объяснить уменьшением неконтактной площади поверхности при полном заполнении калибра, а дальнейшее увеличение происходит за счет внеконтакных напряжений, действующих за пределами геометрического очага деформации в результате явления опережения при прокатке. Опережение также приводит к появлению растягивающих напряжений на поверхности граней прокатываемого квадрата (зона III). В приконтактных слоях растягивающие напряжения в зоне III достигают 800-850 МПа.
При анализе напряженного состояния в осевой части прокатываемого металла (рисунки 29, 30) установлено, что характер осевых продольных растягивающих напряжений практически не изменяется с увеличением вытяжки и степени заполнения калибра. Осевые растягивающие продольные напряжения x действуют практически по всей длине очага деформации. Лишь в заключительной стадии деформирования (90 % от входа в очаг деформации) x меняют свой знак и становятся сжимающими. При снижении степени деформации величина растягивающих x снижается на 20-50 % в средней части очага деформации, и в целом уменьшается объем металла, в котором они действуют. Однако максимального значения напряжения x достигают на расстоянии 15-20 % от плоскости входа в геометрический очаг деформации при любой величине обжатия и составляют 400-450 МПа для рассматриваемых условий.
Поля осевых продольных напряжений при полном заполнении (а) (коэффициент вытяжки 1,55) и неполном заполнении калибра (б, в) (коэффициент вытяжки 1,35 и 1,19, соответственно) Распределение продольных напряжений x, действующих в осевой зоне проката (при различной степени деформации), по длине очага деформации Влияние степени деформации на критерий разрушения при прокатке круглого профиля в квадратном калибре Для оценки влияния напряженного состояния на качество проката проанализировано распределение значений критерия разрушения D, рассчитанного по всему сечению получаемого квадрата. На рисунке 31 представлена полученная по результатам моделирования зависимость критерия разрушения D от степени деформации для осевой и внеконтакных зон.
Полученная зависимость показывает, что с ростом степени деформации вероятность разрушения возрастает на боковой внеконтакной поверхности проката интенсивнее, чем в осевой зоне.
Фактором формы принято называть показатель соотношения длины очага деформации к степени обжатия l/hср. Для изучения влияния значения данного показателя на напряженное состояние металла в очаге деформации варьировался диаметр валков при прокатке по схеме «круг-квадрат» в четырехвалковом калибре.
Исходные условия моделирования выбраны для наиболее распространенного случая прокатки катанки 6,5 мм за один проход в квадрат со стороной 5 мм и представлены ниже: Диаметр исходного профиля Коэффициент вытяжки Коэффициент трения (по закону Кулона) Диаметр валков Материал заготовки Скорость прокатки (зависит от вытяжки) Сторона квадрата готового профиля Отношение l/hср рассчитывалось по формуле: l/hcp = (H0+h1)/2 (2) где r - радиус валков; H0 - диаметр заготовки; h1 - сторона готового квадрата. Анализ результатов показывает, что увеличение диаметра валков и, соответственно, соотношения l/hср оказывает положительное влияние на напряженное состояние металла в очаге деформации (рисунок 32). С увеличением диаметра валков со 160 мм до 370 мм при прочих равных условиях значение критерия разрушения D в зоне разъеме калибра снижается примерно на 10 % (с 0,22-0,24 до 0,20-0,21). В осевой зоне значение D снижается более чем на 40 % (с 0,04 до 0,02).
На основе известных параметров классификации систем калибров обобщены результаты исследования о влиянии калибровки валков на характер напряженного состояния в очаге деформации при холодной прокатке (таблица 7). Полученные результаты позволяют дать следующие рекомендации для проектирования калибровок валков:
Оценка деформируемости проволоки при модульных способах деформации
Модуль «прокатка-прессование» (см. рисунок 46, а) применим на первых проходах, так как ограничивающим фактором при данном способе является продольная устойчивость раската в межочаговом промежутке между приводными и неприводными валками, которая зависит от прочности проволоки и ее диаметра. Выбор оборудования для реализации данного процесса должен производиться для конкретного технологического процесса с известными данными для расчета ограничивающих факторов. При производстве круглой проволоки процесс прокатка-прессование целесообразно осуществлять в паре установленных последовательно друг за другом деформирующих модулях для реализации контролируемого чередования направления обжатия. Калибровка валков при этом должна выполняться по схеме круг-фасонное сечение-круг.
После двух модулей «прокатка-прессование» деформацию целесообразно осуществлять с применением модулей «прокатка-волочение с подпором» (см. рисунок 46, б) и/или «волочение» (см. рисунок 46, г). Модуль «прокатка-волочение с подпором» должен включать две клети для реализации прокатки по схеме круг-фасонное сечение-круг. Для прокатки рационально использовать четырехвалковые клети, которые являются более универсальными по сравнению с трехвалковыми и могут быть при необходимости перенастроены на двухвалковые системы калибров. При проектировании калибровки валков необходимо выбирать системы калибров с учетом прогнозирования напряженного состояния, используя полученные в п. 3.3 рекомендации.
Производственная линия, спроектированная на основе описанных модулей, может быть универсальной за счет возможности взаимозаменяемости, включения и отключения отдельных модулей, а технологическая схема конкретной производственной линии будет зависеть от размеров производимой проволоки, ее механических свойств, требований к готовой проволоке, наличия последующих переделов и других факторов.
Для действующих прокатных станов возможны несколько вариантов. Так в многоклетьевой непрерывный прокатный стан с индивидуальным приводом за каждой клетью рационально установить неприводные роликовые кассеты для реализации процесса прокатка-прессование, а также модули «прокатка-волочение с подпором» или «волочение» за последней клетью. При этом вместо одной или нескольких клетей в середине стана также может быть установлен блок «волочение». Также возможен вариант установки перед первой клетью модулей «прокатка-прессование» или «прокатка-волочение с подпором».
При этом выбор конкретной последовательности операций в технологической схеме изготовления какого-либо вида проволоки должен осуществляться с применением средств моделирования и с учетом всех исходных данных.
Предлагаемые технические решения производства проволоки по сравнению с прокаткой и волочением обеспечивают улучшение деформируемости проволоки и, соответственно, увеличение суммарной деформации. Благодаря увеличению суммарной деформации возможно получить следующие производственные преимущества: - уменьшить производственные затраты за счет сокращения количества промежуточных термообработок (переделов); - повысить прочность готовой проволоки без изменения ее пластичности в случае выбора заготовки большего диаметра и соответственного увеличения суммарной деформации; - повысить пластические свойства готовой проволоки без изменения величины суммарной деформации.
Кроме того, использование резерва сил трения при прокатке-прессовании и волочении с подпором увеличивает к.п.д процесса деформации, тем самым снижается количество затрачиваемой на деформацию энергии. Этому же будет спо 98 собствовать сокращение кратности передела за счет повышения единичных вытяжек при использовании прокатки-прессования.
Благодаря применению неприводных прокатных валков сокращается количество приводов и механического оборудования (редукторы, муфты, шестеренные передачи и др.) по сравнению с традиционной прокаткой. Неприводные валки при этом могут использоваться гораздо меньшего диаметра (в два-три раза меньше), чем при прокатке, что снижает затраты на дорогостоящие материалы валков.
По сравнению с волочением предлагаемые способы деформации также позволяют повысить производительность оборудования за счет снижения обрывности проволоки, упрощения ее заправки, снижения ограничений обжатий по прочности переднего конца проволоки.
Указанные преимущества достигаются без ухудшения точности геометрических размеров проволоки по отношению к холоднотянутой благодаря применению волочения в монолитных волоках в чистовых проходах.
Современным направлением развития технологических процессов изготовления металлических изделий является повышение их качества путем формирования ультрамелкодисперсных и наноструктур [180]. Одним из эффективных способов получения подобной структуры в проволоке является теплая прокатка [181-185]. Учитывая имеющийся положительный опыт освоения теплой прокатки проволоки из высоколегированных сталей на пятиклетьевом стане с четырехвалко-выми калибрами Белорецкого металлургического комбината [57], а также возможность реализации описанных выше рекомендаций по повышению эффективности режимов прокатки, возможно в короткие сроки и без значительных капитальных затрат освоить производство проволоки круглой, а также фасонного и периодического профилей с ультрамелкодисперсной и наноструктурой на имеющемся оборудовании Белорецкого металлургического комбината.