Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного уровня развития совмещенных методов обработки металлов давлением 18
1.1 Проблемы трения в процессах обработки металлов давлением .18
1.2 Современное состояние использования активных сил трения для совмещения методов ОМД при прессовании 23
1.3 Обзор проблем и решений при использовании активных сил трения для совмещения методов ОМД при прокатке 44
1.4 Выводы и постановка задач исследований 55
2. Научные основы использования возможностей сил трения в очаге деформации при прокатке для реализации совмещенных методов обработки металлов давлением 58
2.1 Изучение продольной силы, возникающей при переводе реактивных сил трения в активное состояние 58
2.1.1 Теоретическая оценка величины продольной силы, являющейся следствием перевода реактивных сил трения в активное состояние 58
2.1.2 Методика и экспериментальные результаты по изучению факторов, влияющих на величину продольной силы 95
2.2 Исследование протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации при использовании продольной силы для совмещения методов ОМД 117
2.2.1 Теоретические исследования протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации при прокатке 117
2.2.2 Методика исследования протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации при прокатке 125
2.2.3 Анализ экспериментальных данных по влиянию условий деформирования на протяженность зон скольжения и прилипания 134
2.3 Изучение изменения энергосиловых параметров процесса прокатки при использовании продольной силы для совмещения методов обработки металлов давлением 142
2.3.1 Разработка методики расчета энергосиловых параметров горячей прокатки с учетом использования продольной силы для совмещения методов ОМД 142
2.3.2 Экспериментальная проверка разработанной методики расчета энергосиловых параметров процесса горячей прокатки 153
2.3.3 Компьютерная модель для определения энергосиловых параметров процесса горячей прокатки с учетом использования продольной силы для совмещения методов ОМД 163
2.4 Возможные варианты совмещения методов обработки металлов давлением 168
Выводы 169
3. Совмещенные методы обработки металлов давлением 171
3.1 Разработка совмещенного метода ОМД прокатки в приводной - неприводной клети 171
3.1.1 Условия деформирования в неприводных клетях и моговалковых калибрах 172
3.1.2 Изучение проблемы продольной устойчивости полосы в промежутке между приводной и неприводной клетью... 185
3.1.3 Особенности использования прокатки в приводной -неприводной клети при свободной прокатке 192
3.1.4 Определение области осуществимости совмещенного метода ОМД прокатки в приводной - неприводной клети с помощью компьютерного моделирования 197
3.1.5 Скоростные условия и уширение при реализации прокатки в приводной-неприводной клети 205
3.1.6 Оценка эффективности совмещенного метода ОМД прокатки в приводной - неприводной клети в промышленных условиях среднесортного стана 450 ОАО "ЗСМК" и варианты практического использования 212
3.2 Использование продольной силы при совмещении методов прокатки-продольного разделения неприводным делительным инструментом 229
3.2.1 Теоретическая модель и экспериментальное изучение продольного разделения полосы неприводным делительным инструментом 231
3.2.2 Особенности использования совмещенного метода ОМД прокатки-разделения неприводным делительным инструментом при свободной прокатке и за чистовыми клетями 248
3.2.3 Использование математической модели для определения области осуществимости прокатки-разделения неприводным делительным инструментом 253
3.3 Разработка совмещенного метода ОМД прокатки -прессования 256
3.4 Особенности реализации принципов совмещения методов ОМД при работе системы очага деформации - валковая арматура.. 292
Выводы 299
4. Использование результатов исследования в промышленном производстве и учебном процессе 303
4.1 Промышленное внедрение в условиях непрерывного мелкосортного стана 250-1 сортопрокатного цеха ОАО "ЗСМК" современного метода ОМД прокатки-разделения с использованием неприводного делительного инструмента 303
4.2 Практическое использование результатов работы при оценке вероятности инцидентов в системе очаг деформации -валковая арматура в условиях сортопрокатного цехе ОАО "ЗСМК" и цеха сортового проката ОАО "НКМК" 332
4.3 Применение результатов работы в учебном процессе 344
Выводы 345
Заключение 347
Библиографический список
- Современное состояние использования активных сил трения для совмещения методов ОМД при прессовании
- Теоретическая оценка величины продольной силы, являющейся следствием перевода реактивных сил трения в активное состояние
- Разработка методики расчета энергосиловых параметров горячей прокатки с учетом использования продольной силы для совмещения методов ОМД
- Практическое использование результатов работы при оценке вероятности инцидентов в системе очаг деформации -валковая арматура в условиях сортопрокатного цехе ОАО "ЗСМК" и цеха сортового проката ОАО "НКМК"
Введение к работе
Актуальность темы: Одной из приоритетных задач, стоящих перед черной металлургией, является повышение эффективности производства за счет разработки и внедрения новых технологий.
В системе рыночных отношений большое значение уделяется вопросам снижения материальных и энергетических затрат, повышения технологической гибкости, улучшения качества готовой продукции и расширения сортамента, что в конечном счете повышает конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках.
Одним из путей комплексного решения указанных проблем при производстве прокатной продукции является разработка совмещенных методов обработки металлов давлением (ОМД), более полно использующих возможность сил трения в очаге деформации при прокатке. Термин "совмещение" подразумевает, помимо основных, выполнение дополнительных функций за счет использования скрытых возможностей. Таким образом, совмещенные методы ОМД, благодаря более полному использованию сил трения в очаге деформации прокатной клети, выполняют дополнительные операции, такие как деформирование в неприводной клети, продольное разделение неприводным делительным инструментом, деформирование через матрицу, обеспечение работы системы очаг деформации - валковая арматура. На необходимость изучения вопроса использования возможностей сил трения для снижения материальных и энергетических затрат процесса прокатки указывали А.И. Целиков, И.М. Павлов, А.П. Чекмарев, В.Н. Выдрин и другие видные ученые, относя эту проблему к ключевым вопросам обработки металлов давлением. В последнее время в работах СМ. Жучкова, А.П. Лохмато-ва, Н.Н. Довженко, СБ. Сидельникова, СВ. Беляева и др. наметились возможные пути решения этой важной проблемы. Однако в материалах по данному направлению отсутствует системный подход в разработке рациональных технологических режимов, не достаточно изучена перспективность и область возможного использования приема перевода реактивных сил трения в активное состояние при совмещении методов ОМД. Остаются без ответа такие важные вопросы, относящиеся к научным основам, как связь степени использования активных и реактивных сил трения с распределением зон скольжения и прилипания в очаге деформации при прокатке; разработка методик количественной оценки величины продольной силы, обеспеченной переводом реактивных сил трения в активное состояние; методика расчета основных технологических параметров. Отсутствие математических моделей совмещенных методов ОМД затрудняет определение области осуществимости, выбор эффективных с точки зрения экономии материальных и энергетических затрат режимов деформирования, расчет технологического оборудования. Многие нерешенные технические и технологические вопросы сужают область использования совмещенных методов ОМД, затрудняют их внедрение в производство. Из выше приведенных аргументов можно сделать следующее заключение, что создание методик, математических и компьютерных моделей для оптимизации режимов деформирования, расчетов технологических параметров, разработка комплекса технических и технологических решений для управления, совершенствования и расширения возможностей совмещенных методов ОМД являются своевременными и актуальными.
Работа выполнена в соответствии с Государственной программой "Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу" от 30 марта 2002 г. и перечнем
"критических технологий Российской Федерации", разделы "Технологические совмещаемые модули для металлургических мини-производств", "Компьютерное моделирование", Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы" от 6 июля 2006 г., разделы "Технологии производства программного обеспечения", "Технологии создания и обработки кристаллических материалов", а также согласно планам госбюджетных и хоздоговорных работ ФГБОУ ВПО "Сибирский государственный индустриальный университет".
Цель диссертационной работы:
Развитие научных основ совмещенных методов обработки металлов давлением и разработка комплекса технических и технологических решений, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов.
Основные задачи:
Научное обоснование использования продольной силы, являющейся следствием перевода реактивных сил трения в активное состояние, при совмещении методов ОМ Д.
Развитие научных основ совмещенных методов ОМД, включающих теоретически и экспериментально обоснованные зависимости для определения продольной силы, протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации, математическую и компьютерную модель для расчета энергосиловых параметров процессов горячей прокатки и совмещенных методов ОМД.
Разработка теоретически и экспериментально обоснованных математических и компьютерных моделей совмещенных методов ОМД: прокатка в приводной - неприводной клети, прокатка-разделение неприводным делительным инструментом, прокатка-прессование, работа системы очаг деформации - валковая арматура, позволяющих оценить область осуществимости, найти эффективные с точки зрения экономии материальных и энергетических ресурсов условия деформирования.
Расширение области использования методов прокатки в приводной-неприводной клети, прокатки - разделения неприводным инструментом за счет разработки новых технических и технологических решений, снимающих ограничение по использованию рассматриваемых методов ОМД только в непрерывных группах клетей и определить условия, при которых решения реализуются.
Совершенствование совмещенных методов ОМД, разработка новых технических и технологических решений, технологий, обеспечивающих снижение материальных и энергетических затрат.
Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований по совмещенным методам ОМД в практику производства.
Методы исследований: При исследованиях использовались методы тензометрии с элементами сбора и обработки информации на компьютере по программе Power Graph 2.1, методы теории подобия и моделирования процессов ОМД, метод математического планирования эксперимента, методы компьютерного моделирования, современные компьютерные технологии исследования и мониторинга промышленных процессов, уникальные методики разработанные автором (а.с. № 1180097, № 1233971).
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждаются большим объемом экспериментального материала, полученного в лабораторных и промышленных условиях с применением современных методик, корректным использованием современных математических
методов; согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных результатов и зависимостей; адекватностью разработанных математических и компьютерных моделей; применением современных методов статистической обработки результатов; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; эффективностью предложенных технических и технологических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производство. Достоверность и новизна технических решений подтверждена свидетельствами на изобретения и патентами. Научная новизна работы заключается:
научно обосновано использование продольной силы при совмещении методов ОМД и предложены зависимости для ее определения, отличающиеся учетом формы калибра. Установлена связь продольной силы с зональностью в очаге деформации и получены, отсутствующие в литературе теоретические зависимости, позволяющие определять протяженность зон на контакте при обычном процессе прокатки и при совмещении методов ОМД;
уточнена и оформленная в компьютерную программу (свидетельство на программу для ЭВМ № 2007610475) методика А.И. Целикова для расчета энергосиловых параметров обычных процессов горячей прокатки и совмещенных методов ОМД, что стало возможным благодаря учету протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации;
впервые теоретически обоснована и подтверждена экспериментально возможность деформирования в неприводных валках и продольного разделения неприводным инструментом вне непрерывных групп клетей за счет использования энергии движущейся полосы, получены зависимости для определения условий реализации решения и места расположения неприводного инструмента;
разработана математическая и компьютерная модели (свидетельство на программу для ЭВМ № 20066112893) для определения области осуществимости прокатки в приводной - неприводной клети, поиска эффективных условий деформирования, расчета силовых параметров, выбора рациональной компоновки оборудования, базирующиеся на полученных зависимостях по определению допустимого расстояния, обеспечивающего продольную устойчивость, определения условий при которых процесс может быть реализован вне непрерывных групп клетей, продольного усилия, необходимого при деформировании в двух неприводных и многовалковых неприводных калибрах, отличающиеся учетом условий деформирования, конструктивной особенностью калибров;
разработана математическая модель прокатки - разделения неприводным делительным инструментом, позволяющая оценить область осуществимости, найти эффективные с точки зрения экономии материальных и энергетических ресурсов режимы деформирования. Математическая модель основана на полученных зависимостях для определения продольной силы, обеспеченной калибрами, формирующими сочлененный профиль, продольного усилия необходимого при разделении неприводным инструментом одним из известных способов (пе-редавливание, разрыв, резание), допустимого расстояния, обеспечивающего продольную устойчивость при разделении и условий при которых возможно разделение вне неприводных групп клетей;
разработана математическая модель с целью определения области осуществимости процесса прокатки - прессования, поиска энергоэффективных режимов деформирования и рациональной компоновки оборудования, отличающаяся учетом конструктивных особенностей калибров, места размещения матрицы относительно линии, соединяющей центры валков, возможностью определения
максимального коэффициента вытяжки в системе валок-матрица. Установлено, что при реализации процесса прокатки - прессования в каждом конкретном случае есть вполне определенное место размещения матрицы, обеспечивающее максимальный коэффициент вытяжки при минимальных затратах энергии, определить которое можно с использованием разработанной математической модели;
- впервые предложены научно обоснованные критерии работоспособности
системы очаг деформации - валковая арматура и методика их количественной
оценки, учитывающая конструктивные особенности валковой арматуры, ее раз
мещение относительно бочки валка, решаемые в процессе работы задачи.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
разработаны режимы технологии получения сортовых профилей с применением неприводных клетей, предложена новая технология бескалибровой прокатки с промежуточными неприводными клетями, приведены рекомендации по применению неприводных клетей для совершенствования технологии литья-прокатки, все это стало возможным благодаря использованию математической модели прокатки в приводной - неприводной клети, реализованной в компьютерной программе (свидетельство на программу для ЭВМ № 20066112893);
предложены новые методики и устройства (а.с. № 1180097, № 1233971) для исследования протяженности зон на контактной поверхности в очаге деформации, позволяющие расширить область знаний по протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации при прокатке;
разработан комплекс технических решений (а.с. № 1375369, пат. № 2185903, пат. № 2221653), расширяющий область практического использования методов прокатки в приводной - неприводной клети, прокатки - разделения неприводным инструментом, что стало возможным благодаря использованию зависимостей для определения условий деформирования и места положения неприводного инструмента вне непрерывных групп клетей;
на основании экспериментальных исследований с использованием математической модели совмещенного метода прокатки-разделения неприводным инструментом разработана новая технология, позволяющая снизить материальные и энергетические затраты, улучшить качество готовой продукции, основанная на использовании принципа разделения сочлененной заготовки резанием в потоке стана (пат. № 2201819);
разработаны рекомендации по энергоэффективному ведению процесса, рациональной компоновки оборудования, запатентован комплекс новых устройств (а.с. № 1194578, № 1450214, № 1690882, № 1669603), с использованием, которых предложена новая технология получения штрипсовой ленты под порошковую проволоку из сортовой заготовки, разработаны рекомендации для совершенствования технологии литья-прессования, все это стало возможным при использовании экспериментальных данных и математической модели прокатки-прессования;
разработана методика оценки вероятности инцидентов в системе очаг деформации - валковая арматура, основанная на использовании зависимостей по определению продольной силы и критериев работоспособности рассматриваемой системы, позволяющая уменьшить материальные затраты за счет сокращения времени непредвиденных простоев и брака;
разработана компьютерная программа (свидетельство на программу для ЭВМ № 2007610475), позволяющая осуществлять инженерные и исследовательские расчеты энергосиловых параметров горячей прокатки, оперативно без зна-
чительных материальных затрат определить оптимальные, с точки зрения энергозатрат и рациональной загрузки оборудования режимы деформирования. Реализация результатов работы заключается в следующем:
- при внедрении технологии прокатки-разделения неприводным делитель
ным инструментом в условиях непрерывного мелкосортного стана 250-1 сорто
прокатного цеха ОАО "ЗСМК" с использованием разработанных методик, мате
матической модели определена область осуществимости процесса, установлены
предельные значения коэффициента вытяжки в 15 клети, формирующей сочле
ненный профиль, допустимая толщина перемычки, компоновка оборудования,
обеспечивающая продольную устойчивость, решения по технологии ведения
процесса защищены патентом № 237938; разработана новая конструкция дели
тельного инструмента, защищенная патентом на полезную модель № 53597. Это
позволило на арматурных профилях №10, №12, №14 снизить в среднем энерго
затраты на 23 кВт-ч/т, за счет повышения производительности на 31 % снизить
материальные затраты, освоить в условиях непрерывного мелкосортного стана
250-1 новый профиль - арматуру №8. Годовой экономический эффект (в ценах
2010 года) составил 43,6 млн. руб., долевая часть 8,7 млн. руб. в год;
-внедрена в промышленности на непрерывных мелкосортных станах 250-1, 250-2, проволочном стане 250, входящих в состав сортопрокатного цеха ОАО "ЗСМК", и станах 500, 450 цеха сортового проката ОАО "НКМК", разработанная методика оценки вероятности инцидентов в системе очаг деформации - валковая арматура, что позволило снизить материальные затраты и получить годовой экономический эффект (в ценах 2004 года) по ОАО "ЗСМК" 374 тыс. рублей, по ОАО "НКМК" (в ценах 2005 года) 505 тыс. рублей в год;
в условиях непрерывного среднесортного стана 450 ОАО "ЗСМК" апробирована технология прокатки с использованием неприводных клетей вместо приводных при прокатке с коэффициентом вытяжки меньше 1,1. Установлен факт экономии электроэнергии 0,75 кВт-ч/т при замене одной приводной клети на неприводную;
результаты диссертационной работы внедрены в учебном процессе при чтении лекций, в курсовом и дипломном проектировании, при написании трех учебных пособий, допущенных учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии для преподавания студентам высших учебных заведений, и удостоенных "Золотой медали" Кузбасской ярмарки, Новокузнецк, 2008 г. и диплома лауреата Всероссийской выставки учебно-методических изданий "Золотой фонд отечественной науки", Москва, 2011 г.
Положения, выносимые на защиту:
научные основы использования совмещенных методов ОМД: экспериментальные и теоретические результаты по определению продольной силы, протяженности зон скольжения, прилипания на контактной поверхности, методика расчета энергосиловых параметров рассматриваемых методов ОМД;
результаты теоретических и экспериментальных исследований совмещенного метода прокатки в приводной - неприводной клети, математическая и компьютерная модели, технологические решения по использованию неприводных клетей для увеличения вытяжной способности сортовых станов, освоению бескалибровой прокатки;
результаты экспериментальных исследований, теоретические зависимости, обобщенные в математической модели прокатки - разделения неприводным инструментом, новый способ продольного разделения резанием, технология и
режимы при продольном разделении непрерывным инструментом в потоке сортового стана;
новые технические и технологические решения, расширяющие область использования прокатки в приводной - неприводной клети, прокатки - разделения неприводным инструментом;
материалы экспериментального исследования метода прокатки - прессования, теоретические зависимости для определения энергоэффективных режимов деформирования, комплекс новых устройств, технология и аппаратно технологическая схема производства штрипсовой ленты из сортовой заготовки;
методика оценки вероятности инцидентов в системе очаг деформации -валковая арматура, рассматриваемую как совмещенный метод ОМД и базирующуюся на знании продольной силы и разработанных критериев работоспособности, позволяющая сократить время непредвиденных простоев и брак.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 17 всероссийских и 12 международных конференциях: всероссийская научно-практическая конференция "Металлургия на пороге 21 века: достижения и прогнозы" (Новокузнецк, 2000); всероссийская научно-практическая конференция " Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии" (Новокузнецк, 2001); материалы юбилейной рельсовой комиссии (Новокузнецк, 2002); межрегиональная научно-практическая конференция "Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением" (Магнитогорск, 2002); пятая, шестая, седьмая всероссийские научные конференции "Краевые задачи и математическое моделирование" (Новокузнецк, 2002, 2003, 2004); всероссийская научно-практическая конференция "Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество" (Новокузнецк, 2003); всероссийская научно-практическая конференция "Металлургия: технологии, реинжиниринг, управление, автоматизация" (Новокузнецк, 2004); вторая, третья международные научно-практические конференции "Организационно-экономические проблемы повышения эффективности металлургического производства" (Новокузнецк, 2005, 2008); всероссийская научно-практическая конференция "Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество" (Новокузнецк, 2005); всероссийская научно-практическая конференция "Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии" (Новокузнецк, 2006); всероссийская научно-практическая конференция "Металлургия: технологии, управление, инновации, качество" (Новокузнецк, 2007); Iя международная научно-практическая конференция "Человек: наука, техника и время" (Ульяновск, 2008); всероссийская научно-практическая конференция "Металлургия: технологии, управление, инновации и качество" (Новокузнецк, 2008); всероссийская научная конференция "Научное творчество XXI века" (Красноярск, 2009); XVI международная научная конференция "Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке" (Санкт-Петербург, 2009); VI международная научно-практическая конференция "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2009); II всероссийская научно-практическая конференция "Инновационные технологии в технике и образовании" (Чита, 2009); международная научно-практическая конференция "Современные направления теоретических и прикладных исследований '2009" (Одесса, 2009); VII всероссийская научно-практическая конференция "Конкурентоспособность предприятий и организаций" (Пенза, 2009); IV всероссийская конференция-семинар "Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы" (Самара, 2009); международная научно-практическая конференция "Научные ис-
следования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2009" (Одесса, 2009); международная научно-практическая конференция "Стратегия антикризисного управления экономическим развитием Российской федерации" (Пенза, 2009); международная научно-техническая конференция "Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением" (Санкт-Петербург, 2009); IV международная научно-техническая конференция "Современные методы и технологии создания и обработки материалов" (Минск, 2009); V международная научно-практическая конференция "Научно-технический прогресс в металлургии" (Темиртау, 2009); I международная конференция "Современные проблемы информатизации в системах моделирования, программирования и телекоммуникаций" (Москва, 2009); II всероссийская научно-практическая конференция "Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий" (Москва, 2010), а также обсуждались на технических совещаниях с сотрудниками ОАО "ЗСМК", ОАО "НКМК" (г. Новокузнецк), ОАО "ЧМК" (МЕЧЕЛ) в Челябинске.
Личный вклад автора состоит в организации и постановке экспериментальных и теоретических исследований, непосредственном участии в их проведении, в анализе результатов исследований, в обобщении и обосновании всех защищаемых положений.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 91 печатная работа, в том числе 25 из перечня рецензируемых научных журналов, монография, три учебных пособия (с грифом УМО), а также 7 авторских свидетельства, 5 патентов, 2 свидетельства на программу для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 246 наименований и 6 приложений. Содержит 417 страниц машинописного текста (376 страниц без приложений), включая 171 рисунок, 28 таблиц.
Современное состояние использования активных сил трения для совмещения методов ОМД при прессовании
Имеется несколько вариантов применения, при которых Linex превосходит известные способы прессования. Во-первых, прессования без отпуска при относительно низких температурах, в этом случае прочностные свойства получаемых изделий превосходят свойства исходного материала. Во-вторых, двойное прессование, при котором одновременно через матрицу пропускают покрытие и сердечник. Примером такого товарного продукта, полученного двойным прессованием, является сеточная проволока. В данном случае алюминиевый сплав высокой прочности является сердечником, а мягкий, но более коррозионноустойчивый алюминиевый сплав служит в качестве покрытия. Другим примером является алюминиевая проволока с медным покрытием.
Более поздние конструкции устройств, разработанные фирмой Western Electric [21] в соавторстве с Френсисом Джоржем Фиш-младшим применяют удачное решение - использование многоходового блока с четырьмя группами сегментов, движущихся по четырем раздельным гусеницам (рисунок 1.4 б). Описанная в работе промышленная установка, основанная на использовании четырех гусениц, действует следующим образом: заготовка подается к устройству, захватывается движущимися блоками и начинает перемещаться в сторону матрицы. Каждый блок гусеницы действует как отдельный преобразователь давления, обеспечивающий нарастание давления по мере продвижения заготовки. Скорость подачи заготовки на входе может плавно изменяться до 15,24 м/мин. Вблизи матрицы специальные устройства подают смазку на поверхность заготовки для облегчения процесса прессования. Матрица размещена в канале, образованном четырьмя движущимися гусеницами, и достаточно мала, так как несет ограниченную нагрузку. По выходе из матрицы готовое изделие поступает к накопительному приемному устройству. Непосредственно машина сравнительно невелика. По данным работы [21], используемая фирмой Jade Claw Technologies машина имеет длину 1,2 м, ширину 0,9 м, массу около 2 тонн. Работу машины обеспечивают восемь гидравлических двигателей, каждый из которых "развивает крутящий момент 10000 фунт дюйм" (1 фунт=0,454 кг, 1 дюйм=25,4 мм). Производительность установки зависит от обрабатываемого материала и размеров заготовки. Эксплуатационные расходы (включая амортизацию) составляют "от 100 до 200 долларов" за машино-час, а "стоимость продукции колеблется от нескольких центов за фунт до 0,2 долларов". Несмотря на свои преимущества, способ Li-пех широкого распространения не получил. Причиной тому явилась сложность конструкции и небольшая производительность, увеличение которой приводит к непропорциональному росту затрат на строительство и эксплуатацию, и по расчетам может превысить затраты традиционного процесса прессования. Однако, несмотря на указанные недостатки, работы по совершенствованию способа Linex продолжаются [24].
Удачный опыт реализации процесса Linex привел к разработке более совершенного совмещенного метода ОМД Conform, который изобрел Дерек Грин из управления по атомной энергии Великобритании в Престоне. Фирма Wanskyk США исследовала процесс в 1973 году и начала большую программу по созданию и испытаниям машин Conform [23]. Революционным в данном процессе является перевод процесса прессования из циклического в непрерывный, благодаря совмещению деформации между вращающимся колесом и неподвижным башмаком с последующим прессованием за счет использования активных сил трения на контакте, причем без предварительного нагрева и сложных систем матриц.
Осуществить эту идею удалось посредством использования вращающегося колеса с канавкой, расположенной по его периметру, создавая таким образом бесконечную раскрытую камеру, при этом матрица крепится в неподвижно установленном башмаке. В этом случае пресс-камера образуется за счет трехстороннего желоба, размещенного по периметру вращающегося колеса и стационарно установленного башмака, представляющего четвертую сторону камеры. Три стороны камеры (желоба) захватывают, деформируют и продвигают заготовку за счет использования активных сил трения, а трение скольжения на четвертой стороне (башмаке), являясь реактивным, препятствует этому продвижению. Процесс идет в результате того, что стенки желоба имеют площадь больше, чем у башмака. Матрица закреплена в башмаке, имеющем дополнительный выступ, перекрывающий желоб и тем самым блокирующий движение заготовки вперед, что приводит к сжатию заготовки. По мере вращения колеса давление на рабочей поверхности матрицы растет, вызывая увеличение длины сжатия. Сжатие продолжается до тех пор, пока давление на матрицу не достигнет значения, достаточного для начала прессования, после этого процесс стабилизируется и продолжается без каких-либо перерывов. Поворот металла под прямым углом перед матрицей позволяет повысить температуру, которая необходима для спекания частиц или мелких кусочков проволоки в сплошную форму. Процесс продолжается до тех пор, пока в камеру подается обрабатываемый материал. Процесс не требует применения смазки и с его помощью можно производить широкий спектр изделий, включая цельные и пустотелые профили. Вследствие высокого давления и температуры, которые возникают за счет действия сил тре 29 ния (до 10 Кбар и 500С для цветных металлов), заготовка, представляющая собой металлические микрочастички, может уплотняться и выдавливаться непрерывным способом в виде полностью уплотненных монолитных или профильных изделий. Таким образом, процесс является универсальным, представляя возможность для производства обычных и новых изделий бесконечной длины, как из основного, так и вторичного металла [25, 26]. Исследования по влиянию параметров совмещенного метода Conform на механические свойства и структуру многоканальных плоских труб дали положительных результаты с высокими показателями пластичности и антикоррозионных свойств сплава D-97, используемого в исследованиях [27].
Общий вид машины Conform, поясняющий принцип ее работы, представлен на рисунке 1.5. Машина может быть выполнена как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении. Машина состоит из двух основных элементов: вращающегося колеса и неподвижного башмака. Используется небольшая скорость вращения колеса в пределах 60 об/мин. Крутящий момент при этом для колеса 305 мм достигает 41,5 кН-м. Это требует применения высокомоментного, тихоходного, гидравлического или электрического привода. В настоящее время работают машины, снабженные приводами обоих типов [28].
Теоретическая оценка величины продольной силы, являющейся следствием перевода реактивных сил трения в активное состояние
Процесс прокатки реализуется благодаря использованию сил трения на контакте металла с вращающимися валками, которые втягивают полосу в сужающееся пространство, обеспечивая формоизменение. Согласно упрощенному классическому определению теории прокатки, данному А.И. Цели-ковым в работе [1], вертикальное сечение, в котором силы трения изменяют направление, называется нейтральным, а соответствующий центральный угол у делит деформируемый объем на две зоны (отставания и опережения). В зоне отставания скорость движения металла меньше скорости валков, поэтому контактные силы трения направлены по ходу прокатки и являются активными, способствуя деформированию металла. В зоне опережения контактные силы трения на валках направлены против хода прокатки, создавая реактивное действие. Соотношение активных и реактивных сил трения в каждом конкретном случае разное и может меняться в зависимости от условий деформирования, а также от влияния внешних воздействий в виде натяжения или подпора. Чем большую площадь занимают активные силы трения, тем большая мощность подводится в очаг деформации, которая может быть расходована не только на прокатку, но и на одновременную реализацию других методов ОМД - совмещение методов ОМД.
Для оценки возможности активных сил трения при совмещении методов ОМД рассмотрим прокатку полосы прямоугольного сечения в гладких валках при упрощенной двухзонной схеме очага деформации (рисунок 2.1). Момент (Мпр), необходимый для деформирования в этих условиях, включает в себя момент от активных сил трения (Макт), действующих в зоне отставания, и момент от реактивных сил трения (Мреак), присутствующих в зоне опережения. Уравнение равновесия моментов относительно центра одного валка запишется в виде: где Ъср - средняя ширина полосы в очаге деформации, мм; R - радиус валков, мм; а - угол захвата, рад; у - нейтральный угол, рад. Рисунок 2.1 - Схема сил, действующих в двухзонном очаге деформации После интегрирования и преобразований с учетом двух валков получим известную формулу В.Ф. Баюкова [72]: КР = UcpR\pa-4bcpR\p7 = 2bcpR2rcp (а-2у) = 2bcpR2рсрМу(а-2у), (2.2) где тср - среднее касательное напряжение, МПа; /иу - коэффициент трения при установившемся процессе прокатки.
Как следует из зависимости (2.2), на момент прокатки оказывают влияние коэффициент трения, угол захвата и величина нейтрального угла. Проанализируем влияние данных факторов на момент прокатки для условий горячей прокатки полосы 80x80 мм в гладких валках радиусом 200 мм при сопротивлении деформации 80 МПа, коэффициент трения меняется от 0,25 до 0,5, угол захвата от 0,15 до 0,4 рад. Результаты расчетов приведены на рисунке 2.2, из которого следует, что наибольшее влияние на момент прокатки оказывает угол захвата, в рассматриваемых пределах увеличивая момент прокатки в 6 - 6,8 раза. Коэффициент трения влияет на момент прокатки, но в меньшей степени и в основном при больших углах захвата. Так, при угле захвата 0,4 момент прокатки увеличивается всего в 1,2 раза. Влияние нейтрального угла на момент прокатки будет рассмотрено ниже.
При совмещении методов ОМД часть реактивных сил трения переходит в активное состояние, что уменьшает величину нейтрального угла, увеличивая момент прокатки. Уравнение для определения момента прокатки в этом случая запишется в виде: а у Mnp = Макт -Мреакт + Мдоп = 2ЪсрJrxR2dcp-2bcp\rxR2d(p + QxR , (2.3) у О где Мдоп, Q] - соответственно дополнительный момент и продольная сила, используемые для совмещения методов ОМД и обеспеченные переводом реактивных сил трения в активное состояние (уменьшение нейтрального угла). Если принять тх на протяженности дуги захвата постоянной и равной тср -fiyPcp то после решения (2.3) получим: КР = APR\P - bcpR2Tcpy + QXR = bcpAhRas + QXR. (2.4) Первое слагаемое в формулах (2.3), (2.4) показывает, какой момент могут обеспечить активные силы трения на контактной поверхности в очаге деформации в установившейся стадии процесса прокатки. Второе слагаемое показывает, какой момент создают реактивные силы трения. Третье слагаемое - это дополнительный момент, который реализует совмещенные методы ОМД и обеспечен переводом части реактивных сил трения в активное состояние. Величина дополнительного момента является произведением радиуса валка на продольную силу, которая увеличивается с уменьшением нейтрального угла и при Мдоп=Мреакт достигает максимального значения (Qmax) йшх = cpRTcpy. (2.5)
Таким образом, зная величину нейтрального угла, можно определить максимальное значение продольной силы, используемой для совмещения методов ОМД. Пользуясь известной формулой Экелунда-Павлова оценим влияние основных факторов на значение нейтрального угла.
Проведенные аналитические исследования показаны на рисунке 2.3, из которого видно, что увеличение угла захвата и коэффициента трения приводит к увеличению нейтрального угла, а, следовательно, создаются благоприятные условия для совмещения методов ОМД. Используя зависимости (2.5) и (2.6), можно определить, как изменится величина нейтрального угла при разных значениях величины продольной силы: где рср - среднее нормальное напряжение, МПа; цу - коэффициент трения на установившейся стадии процесса прокатки; ld - длина дуги захвата, мм.
Используя зависимость (2.8), определим, как влияют угол захвата и коэффициент трения на величину продольной силы. В качестве примера рассмотрим горячую прокатку стальной полосы 80x80 мм в валках радиусом 200 мм при сопротивлении деформации 80 МПа, коэффициент трения меняется от 0,2 до 0,5, угол захвата от 0 до 0,5 радиан. Результаты расчетов при 63
ведены на рисунке 2.4, согласно которым можно сделать заключение, что характер влияния рассматриваемых факторов на продольную силу такой же, как и на нейтральный угол, это указывает на связь данных величин.
Применяя зависимости (2.5), (2.4), (2.6), изучим влияние уменьшения нейтрального угла при перераспределении реактивных сил трения, пользуясь исходными данными предыдущего примера при угле захвата а=0,3 радиан и коэффициенте трения juy=0,4. Результаты вычислений приведены на рисунке 2.5, из которого следует, что уменьшение нейтрального угла приводит к увеличению момента прокатки за счет увеличения площади контакта, на которой действуют активные силы трения. Уменьшение нейтрального угла и увеличение момента прокатки приводит к появлению продольной силы (Qj), величина которой будет увеличиваться с уменьшением у.
Разработка методики расчета энергосиловых параметров горячей прокатки с учетом использования продольной силы для совмещения методов ОМД
Аналитические исследования показали перспективность использования активных сил трения для совмещения методов ОМД, особенно при прокатке в калибрах с высокими значениями коэффициента трения [99]. Установленная связь степени использования продольной силы с изменением протяженности зон скольжения и прилипания на контактной поверхности в очаге деформации при прокатке и энергосиловыми параметрами вызывает необходимость при разработке научных основ совмещенных методов ОМД учесть и эти обстоятельства.
Рассмотренные выше решения по определению продольной СИЛЫ Qj были выполнены для упрощенной двухзонной схемы очага деформации и не учитывали наличия зоны прилипания. Согласно классическим представлениям теории прокатки [1] при трехзонном очаге деформации в зоне прилипания действуют разнонаправленные силы трения. В средней части зоны прилипания силы трения, переходя через ноль, меняют знак. Результирующие сил трения в противоположных частях зоны прилипания равны по величине, но имеют разный знак, являясь активными и реактивными. Таким образом, при прокатке с трехзонным очагом деформации активные силы трения будут действовать на участке 1от+0,51пр, реактивные - на участке 1оп+0,51пр {1от, 1пр, lon - соответственно протяженность зон отставания, прилипания, опережения). Для определения уточненной зависимости, позволяющей при нахождении Qi учитывать наличие трех зон в очаге деформации, воспользовались теорией энергетического взаимодействия полосы и валков [3], позволяющей учитывать влияние внешних факторов и условий деформирования на процесс прокатки. Рассмотрим задачу по определению продольной силы Qi для случая прокатки полосы прямоугольного сечения в гладких валках при следующих начальных и граничных условиях: Начальные условия: t = tQ УМєГ, cr!(M) = 0, v,(M) = 0, Т0(М) = Const. (2.16) Граничные условия, отображающие взаимодействие деформируемого тела с окружающей средой в данной задаче, сводятся к следующим допущениям: - рассматривается установившаяся стадия процесса, при которой на контактной поверхности в очаге деформации присутствуют зоны скольжения (опережения и отставания) и зона прилипания; - уширение происходит в основном в зоне отставания при этом bom=bcp, в зоне опережения уширение принимаем равным нулю тогда bon=bi\ - прокатка осуществляется с внешним воздействием в виде переднего подпора (минус) и заднего натяжения (минус) (подпора (плюс)) при этом равнодействующая внешних сил уравновешивается продольной силой Qf, - деформация по высоте равномерна и действует закон постоянства секундных объемов; - на контактной поверхности действуют средние нормальные (рс/)) и касательные напряжения (гср); - на участках скольжения в очаге деформации действует закон трения Кулона-Амонтона тср = /лурср, а силы трения в зонах отставания и опережения разнонаправлены. Использование средних значений нормальных и касательных напряжений при решении уравнений равновесия сил и моментов в очаге деформации, а также закона трения Кулона-Амонтона на участках скольжения - обычная практика при определении энергосиловых параметров и величины нейтрального угла [1, 72]. Однако известно, что в действительности давление распределяется по дуге контакта неравномерно. Возникает вопрос, насколько правомерно допущение о равномерном распределении контактных напряжений в очаге деформации при определении энергосиловых параметров и выводе формулы для определения нейтрального угла, являющегося характеристикой протяженности зоны опережения при двухзонном очаге деформации. Ответ на данный вопрос можно найти в работах А.П. Грудева [72], А.Н. Леванова [100]. В работе [72] проанализирована известная формула Экелунда-Павлова и полученная А.П. Грудевым зависимость для определения нейтрального угла с учетом неравномерного распределения контактных напряжений. На основании проведенных аналитических исследований А.П. Грудев сделал вывод: " при ос /3 допущение о равномерном распределении давления по дуге контакта не приводит к большим погрешностям в определении угла у (ошибка не превышает 2-3 %) и, следовательно, усложнять формулы учетом неравномерности распределения контактных напряжений не целесообразно".
Запишем уравнение баланса мощности для случая прокатки полосы прямоугольной формы в гладких валках с использованием продольной силой и задним натяжением (подпор): NB=NeH+Nmp+Nj±N0. . (2.17) где NB - мощность, которую валки способны подвести в очаг деформации при заданных условиях прокатки, Вт; Nm - мощность внутренних сил, Вт; Nmp - мощность, затраченная на преодоление сил трения в очаге деформации, Вт; Nj - мощность продольной силы, Вт; N0 - мощность заднего натяжения (минус), подпора (плюс).
Работа трения, действующая на бесконечно малой площадке при учете наличия двух валков [3]: dAT=2SdF, dF=xbRd9, (2.18) где S - абсолютное скольжение в соответствующей зоне, мм; dF - элементарная сила, действующая на площадке, Н; г- касательные силы трения, МПа; d9 - текущий угол; Ъ - ширина полосы, мм.
Скольжение металла возможно только в зонах отставания и опережения. Для определения абсолютного скольжения в соответствующих зонах с учетом наличия в очаге деформации зон скольжения и прилипания воспользуемся законом постоянства секундных объемов и рекомендациями, данными в работе [3] для определения рассматриваемых величин: где ув ,уп - соответственно, окружная скорость валков в произвольной точке и тангенциальная скорость полосы, мм/с; со - площадь поперечного сечения полосы, положение которого определяется произвольным углом в, мм ; CDyon, соу - площади поперечного сечения полосы, соответствующие у г лам уоп и у;, мм ; t — время, с; Si, S2 - абсолютное скольжение, соответственно, в зоне отставания и опережения, мм.
Практическое использование результатов работы при оценке вероятности инцидентов в системе очаг деформации -валковая арматура в условиях сортопрокатного цехе ОАО "ЗСМК" и цеха сортового проката ОАО "НКМК"
Пользуясь полученными зависимостями (2.55, 2.59, 2.60, 2.62, 2.63, 2.65 - 2.69), можно точно определить величину продольной силы при прокатке в вытяжных калибрах. Однако в условиях производства не всегда возможно оперативно проводить вычисления. В связи с этим следует рекомендовать упрощенные зависимости, пригодные для определения продольной силы в первом приближении. Как видно из рисунка 2.17, пользуясь поправочным коэффициентом, можно, используя зависимость для прокатки прямоугольной полосы в гладких валках, найти продольную силу в вытяжных калибрах по формуле: Qeb,m = KQzn (2.89) где к - поправочный коэффициент. Поправочный коэффициент для прямоугольного калибра с выпуском 30 % - 1,25, 10 % - 1,6, при прокатке в шестигранном калибре - 1,15. При прокатке в квадратных калибрах к=1,35, ромбических - к=\,2. Для круглых калибров к=1,4, овальных - /0=1,25. При выпуске прямоугольного калибра 90, угла при вершине ромба 180 , радиуса овала равного бесконечности поправочный коэффициент V стремится к 1.
Изучение факторов, влияющих на величину продольной силы (Q0, проводилась с использованием установки, разработанной на базе лабораторного стана. Общий вид установки приведен на рисунке 2.18 а. а - общий вид; б - фрагмент диаграммы Рисунок 2.18 - Установка для определения величины продольной силы
Для определения продольной силы была разработана конструкция си-лоизмерителя (рисунок 2.19), который состоял из толкателя 1, корпуса месдозы 2, месдозы 3, компенсатора 4 с пружиной 5, корпуса 6, ограничителя 7, переходной гайки 8. Сигнал с месдозы регистрировался при помощи усилителя "Топаз-3" и самописца "Н338-4". Наличие компенсирующего механизма в силоизмерителе обусловлено необходимостью растянуть во времени процесс нарастания продольной силы до максимального значения соответствующего моменту пробуксовки. Такой подход позволяет более точно регистрировать величину продольной силы, исключая удары, но накладывает ограничение, согласно которому отношение 0\/рср 1. Несоблюдение данного условия приводит к распрессовке переднего конца, увеличению площади контакта и искажению результатов. Основной элемент силоизмерителя месдоза кольцевого типа рассчитывалась на усилие 10 кН.
Эксперименты на описанной установке проводились следующим образом: подготовленные к прокатке образцы укладывали на приемный стол стана, оборудованный направляющими линейками. После проведения подготовительной работы включался двигатель прокатного стана и самописец, только после этого образец задавался в валки. На выходе из очага деформации передний конец образца упирался в толкатель, через который продольная сила передавалась на месдозу и пружину. Сжимаясь, пружина обеспечивала плавное увеличение нагрузки на месдозу, позволяя более точно определить величину продольной силы Qj. Усилие сжатия, величина деформации пружины регулировались ограничителем 7. По достижению максимального значения продольной силы наблюдалась пробуксовка, при которой резко уменьшалось усилие, действующее на пружину, пружина разжималась, перемещая образец в исходное положение, тем самым предотвращая вторичный захват. Типовая запись приведена на рисунке 2.18 б. На стадии отработки методик и проведе 97 ния предварительных экспериментов использовался вариант регистрирующего устройства, приведенный на рисунке 2.20. Измерительным элементом конструкции является образцовый динамометр с фиксируемой шкалой часового индикатора. В процессе эксперимента часовой индикатор фиксирует максимальное значение продольной силы, которое используется в дальнейшем для анализа. Точность получаемых таким образом значений сопоставима с точностью образцового динамометра. а - общий вид; б - регистрирующее устройство Рисунок 2.20 - Общий вид установки с динамометром для определения величины продольной силы
Для моделирования в эксперименте условий трения на контактной поверхности, соответствующих горячей прокатке сортовых профилей, проверки достоверности полученных теоретических зависимостей, опытным путем находили коэффициент трения.
Для исследования коэффициента трения при прокатке известно много методик. Наиболее полно они рассмотрены в работах А.П Грудева [114, 115]. Все методики можно разделить на две группы: - параметры, необходимые для расчета коэффициента трения, изме ряются во время нормального процесса прокатки; - измерение необходимых параметров производится при условии сплошного однозначного скольжения. Каждая из этих групп имеет свои недостатки и достоинства, определяющие область их применения. Проанализировав с этих точек зрения все известные методики, пришли к заключению, что наиболее надежные результаты можно получить, применяя методику принудительного торможения.
Для проведения экспериментов была создана установка на базе лабораторного стана с диаметром валков 130 мм. В установку входили валки специальной конструкции, месдозы балочного типа и регистрирующая аппаратура для определения усилия прокатки, а также измеритель продольной силы, конструкция которого приведена на рисунке 2.19. При исследовании коэффициента трения использовали наборные валки, приведенные на рисунке 2.21, состоящие из следующих деталей: 1 - ось валка со шпоночным пазом, на которую набирались рабочие элементы 2, 3, повернуться при прокатке им не давала шпонка 5, а весь набор стягивался гайкой 6. Причем для верхнего валка гайка имела левую, а для нижнего - правую резьбы. Такая конструктивная особенность необходима для предохранения гаек от самооткручивания в процессе работы. Конусы - 4, использовались при изготовлении рабочих элементов из органического стекла.
