Національна академія наук України

Шувякова Ірина Володимирівна

УДК 621.771.2.001.8.001.24 (043)

розвиток методів розрахунку параметрів процесу багаторівчакової прокатки-розділяння на основі аналізу силової взаємодії розкату та інструменту

Спеціальність 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ

2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України

Науковий керівник – | доктор технічних наук, старший науковий співробітник Жучков Сергій Михайлович, завідуючий відділом фізико-технічних проблем процесів прокатки сортового та спеціального прокату, заступник директора Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Ілюкович-Страковський Будимир Михайлович, Дніпро-дзержинський Державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою обробки металу тиском, м. Дніпродзержинськ.

кандидат технічних наук Огінський Йосип Кузьмич, старший науковий співробітник кафедри обробки металу тиском, Національна металургійна академія України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Провідна організація | Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра обробки металів тиском, м. Донецьк.

Захист відбудеться "_05_" грудня 2003 р. о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .231.01 Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України за адресою: 40050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України за адресою: 40050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1

Автореферат розісланий "_4_" листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К .231.01 |

Г.В. Левченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищити ефективність виробництва сортового прокату можна за рахунок застосування в лініях сортових станів технологій, заснованих на використанні ресурсозберігального процесу прокатки–розділяння.

У практиці сортопрокатного виробництва використовуються два варіанти процесу прокатки–розділяння (ПР). За одним з них поділ розкату на частини здійснюють валками привідної кліті, інший – передбачає поділ розкату на частини в лінії стану за допомогою непривідного деформаційно-ділильного пристрою (НДДП).

Досі немає достатнього теоретичного обґрунтування методів розробки технологічних рішень для здійснення процесу ПР з використанням НДДУ. Існуючі методи оцінки силової взаємодії розкату і ділильного інструменту не цілком враховують його особливості. Тому відпрацьовування прийнятих технологічних рішень при його впровадженні на конкретних станах потребує значних витрат часу.

Розвиток науково-обґрунтованої методичної бази для розрахунку параметрів процесу ПР з застосуванням НДДП дозволить істотно спростити розробку технологічних пропозицій з використання цього варіанта процесу в умовах конкретних станів. Це, окрім того, дає можливість удосконалювати реалізовані на практиці технологічні рішення, які засновані на використанні процесу ПР, та проектувати нові технології для рішення різноманітних задач сортопрокатного виробництва.

Зазначені обставини забезпечують актуальність дослідженням, виконаним у даній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Інституті чорної металургії НАНУ і зв'язана з виконанням госпдоговірної роботи "Розробка й освоєння нових технологічних процесів виробництва сталі і прокату в умовах ВАТ "Єнакіївський металургійний завод" (номер держреєстрації 0101U005401) і тематичними планами наукових досліджень ІЧМ НАНУ "Вибір методів і розробка засобів аналітичного дослідження силової взаємодії розкату і непривідного ділильного пристрою при реалізації процесу прокатки–розділяння" (номер держреєстрації 0102U001513).

Мета роботи і задачі дослідження. Метою даної роботи є розвиток науково-обґрунтованої методичної бази для розрахунку параметрів процесу багаторівчакової ПР з використанням НДДП на основі аналізу силової взаємодії розкату і ділильного інструменту, що дозволяє зменшити терміни і витрати на проектування нових технологій, для різних умов реалізації процесу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Виконати теоретичний аналіз силової взаємодії в системі "привідна кліть, що формує розкат для поздовжнього поділу – непривідний деформаційно-ділильний пристрій" (ПК–НДДП). На підставі виконаного аналізу, розробити методики визначення сил, що виникають у НДДП в процесі поділу розкату на частини, з урахуванням особливостей процесу.

2. Дослідити вплив геометричних параметрів розкату і ділильних роликів

пристрою на навантаження в НДДП і визначити величину опору НДДП переміщенню розкату уздовж лінії стану.

3. Визначити стійкість розкату поздовжньому вигину в проміжку ПКНДДП з урахуванням динаміки процесу і визначити резерв сил тертя в осередку деформації ПК, що задає розкат у непривідний пристрій.

4. Дослідити межи здійснення процесу.

Об'єктом дослідження – є процес поздовжнього поділу розкату в лінії стану з застосуванням непривідних деформаційно-ділильних пристроїв.

Предметом дослідження – є силова взаємодія розкату і непривідного деформаційно-ділильного пристрою при реалізації процесу прокатки–розділяння.

Методи дослідження – для досягнення поставлених цілей і рішення сформульованих задач, у дисертаційній роботі використаний метод теоретичного аналізу силової взаємодії в системі "привідна кліть – непривідний деформаційно-ділильний пристрій", методи аналітичних та експериментальних досліджень процесу.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Набули подальший розвиток методи аналітичного дослідження силової взаємодії в системі "ПК–НДДП" при реалізації процесу ПР з використанням автономних деформаційно-ділильних пристроїв з непривідними роликами.

2. Встановлені нові залежності зміни сил, що виникають в НДДП при поділі розкату від технологічних параметрів процесу і конструктивних особливостей НДДП, використання яких при аналізі процесу ПР в системі "ПК–НДДП" дозволило встановити наступні нові положення:

- показано, що існує такий діапазон товщин перемички, при якому розділення розкату здійснюється з мінімальними зусиллями, виникаючими в НДДП;

- показано, що збільшення радіусу ролика, радіусу закруглення перемички, з’єднуючої частини розкату, та зазору між вершинами ділильних роликів несуттєво впливають на зміну радіального напруження на підшипники НДДП та знижують опір, який створює НДДП;

- показано, що кут при вершині гребеня ролика значно впливає на сили, виникаючі в НДДУ при розділянні, але величина цього кута, яка визначається технологічними умовами процесу, не повинна перевищувати 90;

- показано, що існує такий діапазон діаметрів частин розкату, при якому розділяння здійснюється з мінімальними зусиллями, перевищення меж цього діапазону суттєво інтенсифікує зростання сил в НДДП;

3. Вперше враховано вплив динаміки процесу на стан розкату у проміжку ПК–НДДП. Розроблено метод визначення стійкості розкату поздовжньому вигину перед непривідним робочим інструментом у лінії стану з урахуванням ударного навантаження. Показано, що критичне напруження з урахуванням ударного навантаження в середньому на 30менше критичного напруження, розрахованого без його урахування з використанням відомих методів. Розроблений метод дозволяє визначити межі здійснення процесу по стійкості розкату поздовжньому вигину перед НДДП.

4. Встановлено вплив основних технологічних факторів на зміну резерву сил тертя в осередку деформації ПК в системі "ПК–НДДП". Показано, що у реальних умовах реалізації процесу ПР з використанням НДДП він не є обмежуючим процес фактором.

5. Розроблена методика встановлення меж здійснення процесу ПР з використанням непривідного деформаційно-ділильного пристрою за стійкістю розкату поздовжньому вигину і резерву сил тертя, що дозволило розробити конкретні рекомендації з його реалізації у конкретних умовах дротового стану 250 ВАТ "ЄМЗ" та сортового стану 320 РУП БМЗ.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методи розрахунку параметрів процесу багаторівчакової ПР дозволяють без істотних витрат і уточнюючих експериментів у короткий термін проектувати та освоювати технологічні розробки, що передбачають використання процесу ПР із застосуванням НДДП, на різних прокатних станах. Виконаний на їх основі аналіз меж здійснення процесу ПР з використанням НДДП для реалізації його в конкретних умовах при рішенні різних технологічних задач виробництва та видати рекомендації по застосуванню цього процесу на існуючих і знов споруджуваних прокатних станах.

Основні результати роботи були використані при розробці елементів технології прокатки на дротовому стані 250 ВАТЄМЗ" із застосуванням процесу ПР, заснованим на застосуванні НДДП у чорновій групі, у тому ж числі при розробці пропозицій по конструкції калібру валків ПК, формуючої розкат до поздовжнього поділу, та проектуванні конструкції цього пристрою для умов стану 250. Результати роботи також застосовувалися при удосконалюванні конструкції НДДП, що використається в умовах стану 320 РУП БМЗ (Республіка Білорусь).

Особистий внесок здобувача  

Аналіз силової взаємодії в системі "привідна кліть – непривідний деформаційно-ділильний пристрій" [1, 2]: 

розробка методики і визначення сил, що виникають у непривідному деформаційно-ділильному пристрої, у процесі поділу розкату на частини [3, 4]; 

розробка методики і визначення критичного напруження, що виникає в розкаті між привідною кліттю і непривідним деформаційно-ділильним пристроєм, при якому можлива втрата поздовжньої стійкості з урахуванням динаміки процесу [5]; 

розробка методики і визначення резерву сил тертя в осередку деформації привідної кліті, що формує багатожильний розкат для подовжнього поділу [6]; 

розробка методики встановлення меж здійснення процесу прокатки–розділяння з застосуванням непривідного деформаційно-ділильного пристрою [4-6]. 

Участь у розробці конструкції НДДП, проектуванні елементів технології та освоєння процесу ПР в чорновій групі стану 250 ВАТ "Єнакіївський металургійний завод" [7-12], удосконалення конструкції НДДП, використовуваної в процесі ПР в умовах сортового стану 320 РУП БМЗ [13] та в розробці технологічних пропозицій для організації виробництва арматурних та кутових профілів методом строєної прокатки–розділяння із застосуванням непривідного деформаційно-ділильного пристрою в умовах стану 550 заводу ім. Петровського [14, 15].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації апробувалися на наступних науково-технічних конференціях і семінарах:

1. Наукові семінари відділів фізико-технічних проблем процесів прокатки сортового та спеціального прокату і проблем прокатки листа Інституту чорної металургії НАНУ: протоколи № від 8.06.2000 р., № від 11.12.2002 р. і № від 10.07.2003 р.

2. Міжнародна технічна конференція "Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні", м. Краматорськ, 24-26 жовтня 2000 р.

3. Міжнародна технічна конференція "Теорія і практика виробництва прокату", м. Липецьк, 6-7 лютого 2001 р.

4. Об'єднаний семінар кафедри "Обробка металів тиском" Національної металургійної академії України (НМетАУ) і відділів фізико-технічних проблем процесів прокатки сортового та спеціального прокату і проблем прокатки листа Інституту чорної металургії Національної академії наук України (ІЧМ НАНУ): протокол № від 30.10.2000; протокол № від 1.10.2001; протокол № від 22.09.2003.

5. III Міжнародна конференція "Прогресивна техніка і технологія – 2002", Київ – Севастополь, 24-28 червня 2002р.

6. Друга Міжнародна науково-технічна конференція "Пластична деформація металів", м. Дніпропетровськ, 16-19 вересня 2002 р.

7. Міжнародна технічна конференція "Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні", м. Краматорськ, 22-25 квітня 2003 р.

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 12-ти статтях, які опубліковані у наукових журналах, збірниках наукових праць, у тому числі 8 у журналах і збірниках, рекомендованих ВАК України для опублікування результатів дисертаційних робіт, у двох патентах і одній заявці на винахід.

Структура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків загальним обсягом 156 сторінок, з них 66 рисунків, 2 таблиці, два додатка на 12 сторінках і список використаних джерел з 125 найменувань на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, необхідність виконаних у роботі досліджень в умовах сортопрокатного виробництва металургійних підприємств України. Відзначено мету, об'єкт і предмет дослідження, розкрита наукова новизна роботи та її практичне значення, відзначений зв'язок роботи з науковими програмами, темами.

У першому розділі виконаний аналітичний огляд технічної літератури і патентної документації. На підставі чого виявлені тенденції розвитку процесу безперервної сортової прокатки–розділяння (ПР) з використанням непривідних деформаційно-ділильних пристроїв (НДДП); виконаний аналіз технологічних схем поздовжнього поділу розкату та аналіз методів теоретичного дослідження силової взаємодії розкату і робочого інструмента стосовно системи "привідна кліть – непривідний ділильний пристрій"; обрані напрямки досліджень.

Технології, які засновані на використанні процесу ПР, мають ряд переваг у порівнянні з традиційними технологіями: 

зменшується перепад температури між заднім і переднім кінцем смуги; 

з'являється можливість збільшення перерізу вихідної заготовки без збільшення кількості робочих клітей; 

знижується витрата валків; 

знижується витрата електроенергії; 

забезпечується зростання годинної продуктивності стану в деяких випадках більш ніж на 50

Відзначається тенденція розвитку процесу прокатки–розділяння в напрямку збільшення числа розкатів, одержуваних з однієї заготовки. Спостерігається розвиток процесу в напрямку розширення сортаменту одержуваної продукції. Це забезпечується перенесенням місця поділу на більш ранні стадії формування профілю. Завдяки тому, що інтенсивність деформації в зоні поділу призводить до розмивання лікваційної неоднорідності металу в процесі прокатки, попереджується неприпустима сегрегація неметалічних включень у поверхні профілю.

Поділ розкату на частині в потоці стану здійснюється за рахунок створення в зоні поділу напруження зсуву чи розтягу. Аналіз різних технологічних схем показав, що надійний поділ і якість зони розриву забезпечує схема, заснована на принципі розтягу в зоні перемички. Причому поділ у цьому випадку доцільно здійснювати непривідними деформаційно-ділильними пристроями, що дозволяє ефективніше використовувати встановлену потужність прокатної кліті, яка формує розкат для повздовжнього поділу.

Аналіз показав, що в даний час теоретична база для розрахунку параметрів і проектування такого процесу розроблена недостатньо. У вітчизняній літературі немає відомостів про вибір параметрів процесу ПР з застосуванням НДДП в залежності від умов реалізації, зокрема, невідомо якими конструктивними особливостями повинен володіти непривідний пристрій, на якій межовій відстані від привідної кліті встановлене, чи достатнім резервом володіє ПК для проштовхування розкату через НДДП. Розробка засобів аналітичного дослідження і методик розрахунку параметрів процесу дозволять зменшити терміни і витрати на проектування нових технологій, заснованих на використанні процесу ПР.

Теоретична база для розрахунку параметрів може бути створена на основі аналізу силової взаємодії приводної кліті, розкату і НДДП. При цьому істотним є встановлення меж здійснення процесу ПР з застосуванням НДДП. Ці межі визначаються здатністю робочої кліті, що підготовляє багатожильний розкат до поздовжнього поділу (резервом витягувальний сил тертя у осередку деформації привідної кліті), стійкістю багатожильного розкату поздовжньому вигину в проміжку привідна кліть – непривідний деформаційно-ділильний пристрій (ПК–НДДП), і залежать від опору, що робить НДДП в процесі поділу.

На підставі виконаного аналітичного огляду були сформульовані задачі дослідження.

У розділі  розроблена методика визначення сил, що виникають у НДДП в процесі поділу розкату, з її застосуванням виконані аналітичні дослідження силової взаємодії в системі "ПК–НДДП".

Руйнування перемички розкату відбувається за рахунок розтягувальних сил, які виникають у результаті силової взаємодії ділильних роликів з розкатом. При цьому ролики пристрою відгинають частини розкату в горизонтальній площині, що проходить через вісь прокатки, у протилежні напрямки, а поверхні контакту поділюваного розкату з роликами при цьому деформуються.

Напруження на контакті, що призводять до деформації поверхні розкату і вигину його частин, надані рівнодіючою сил (Р) (рис. ).

Рис. . Схема взаємодії розкату з ділильним роликом:

– кут, відповідний початку контакту розкату з роликом; р – кутова координата точки прикладання рівнодіючої; b – ширина перемички; s1 – товщина перемички; s2 – зазор між гребенями роликів; r – радіус перетину частини розкату; R – радіус по вершині гребеня ролика; Rk – катальний радіус ролика, що проходить через точку А, в якій деформація максимальна; h – максимальне обтискування частини розкату; lc – координата початку зони контакту; lci – довжина осередку деформації

Рівнодіюча сил на контактній поверхні ділильних роликів НДДП є функцією ряду параметрів, що описують локальну деформацію розкату в зонах його контакту з ділильними роликами при поздовжньому розділянні. Місце її прикладання знаходиться на лінії катального радіуса на одній третині довжини осередку деформації (lci) від початку контакту розкату і НДДП (рис. ).

Рівнодіючу сил можна розкласти на три складові: Px – сила проштовхування поділюваного розкату через НДДП; Py – сила розриву перемички; Pz – сила, що визначає радіальне навантаження на підшипникові опори НДДП (рис. ). Вертикальна сила Pz і сила опору переміщенню розкату через НДДП Px залежать від довжини осередку деформації, що визначається з рішення системи рівнянь: рівняння рівноваги сил, що виникають при поділі (1), і рівняння визначення рівнодіючих сил на контакті ділильних роликів з поділюваним розкатом (2): |

(1)

(2)

де Т – межа текучості металу, що прокочується; F – площа контактної поверхні в зоні деформації; Рр – сила розриву перемички; lp – довжина зони розтягу перемички; lpx – координата місця розриву перемички; Мвиг – момент вигину частини розкату (рис. ).

Визначена з рівнянь (1) і (2) величина горизонтальної складової рівнодіючих сил (Py) встановлює зв'язок між величиною рівнодіючих сил (Р) і двома іншими складовими – Px, Pz: |

(3)

Здійснення розриву перемички залежить від співвідношення подовження перемички при розтягу, величини пластичної деформації поверхні розкату і максимально можливого відхилення частин розкату в протилежні боки, що здатні забезпечити ролики НДДП.

У роботі виконані дослідження впливу геометричних параметрів перетину розкату і ділильних роликів на силові навантаження, що виникають у деформаційно-ділильному пристрої.

На рис. надані залежності силових навантажень на ролики НДДП від товщини перемички. Видно, що для випадку реалізації процесу ПР у чорновій і чистовій групах стану товщина перемички може знаходитися в різних діапазонах, при яких процес ПР можливий, при цьому сили змінюються приблизно в 1,5 рази.

Рис. . Вплив товщини перемички на силові навантаження в НДДП при реалізації процесу ПР: а – чорнова група дротового стану 250 ВАТ "ЄМЗ"; б – чистова група сортового стану 320 РУП БМЗ

Мінімальний кут при вершині гребеня ділильного ролика, коли руйнування перемички здійснюється, для чорнової групи – 77, а для чистової – 85. При збільшенні кута при вершині гребенів роликів сили зростають практично за лінійним законом (рис. ).

Рис. . Залежність сил, що виникають в НДДП, від кута при вершині гребенів ділильних роликів при реалізації процесу ПР: а – чорнова група дротового стану 250 ВАТ "ЄМЗ"; б – чистова група сортового стану 320 РУП БМЗ

Основне розходження між реалізацією процесу ПР у чорновій і чистовій групах полягає в розходження розміру поперечного переріза розкату. На рис. показана зміна сил від діаметра частини розкату, видно, що зі збільшенням діаметра частини розкату сили інтенсивно зростають.

З використанням отриманих аналітичних виразів встановлений вплив геометричних параметрів поперечного переріза розкату і ділильних роликів, конструктивних параметрів НДДП і механічних властивостей прокочуваного металу на силові навантаження у НДДП для умов реалізації процесу ПР на стані 250 ВАТ "Єнакіївський металургійний завод" і РУП Білоруський металургійний завод.

Моделювання процесу ПР з використанням розробленої методики дозволило запропонувати конструкцію калібру привідної кліті, що формує розкат для поздовжнього поділу, у тому числі визначити діапазон зміни товщини перемички, при якій процес поділу буде стабільним, і встановити оптимальний кут при вершині гребеня ролика, що забезпечує зниження навантаження на підшипникові опори непривідного пристрою.

Встановлені навантаження, що виникають у пристрої при поділі, послужили основою для розробки конструкції НДДП, для умов чорнової групи дротового стану 250 ВАТ "ЄМЗ".

У розділі  виконане дослідження умов стійкості багатожильного розкату поздовжньому вигину в проміжку ПК–НДДП з урахуванням динаміки процесу. На основі розробленої методики виконане аналітичне дослідження впливу параметрів процесу ПР на величину критичного напруження, що виникає в розкаті при втраті ним поздовжньої стійкості. Визначені межі здійснення процесу ПР за критерієм стійкості поздовжньому вигину.

Розкат у проміжку ПК–НДДП наданій у вигляді стиснутого стрижня. Довжина деформованої частини стрижня дорівнює добутку часу () і швидкості (u), з яким ударна хвиля поширюється уздовж стрижня: u. Стосовно недеформованого стану довжина цієї частини зменшилась на величину пр, що дорівнює відстані, пройденій до цього моменту недеформованою частиною стрижня. Тому відносна деформація на підставі закону Гука дорівнює:

, | (4)

де пр – швидкість прокатки; Fуд – сила, що діє на розкат під час удару; S – площа поперечного переріза багатожильного розкату до контакту з ділильними роликами; E – приведений модуль:

, | (5)

де Et – модуль пружності Юнга при заданій температурі.

Для визначення швидкості ударної хвилі застосували закон збереження імпульсу до тієї його частини, у якій вона поширилася (рис. ). До контакту з перешкодою розглянута частина розкату мала імпульс , а в момент часу цей імпульс визначається як:

, | (6)

де – густина прокочуваного металу.

З рівнянь (4) і (6) визначена швидкість ударної хвилі у розкаті (u) і час удару (tуд).

Сила удару визначена з теорії удару тіл, що мають вісь обертання. Відповідно до цього тверде тіло здобуває під впливом ударної сили кутову швидкість обертання:

, | (7)

де Iy – момент інерції твердого тіла щодо осі обертання; 0 і 1 – кутова швидкість роликів до взаємодії з розкатом (0 ) і швидкість, придбана за час удару; – сума моментів ударних імпульсів активних сил щодо тієї ж осі.

Для визначення сили удару потрібно доповнити рівняння (7) новим, складеним на підставі закону збереженням імпульсу:

, | (8)

де m – зміна маси металу в проміжку ПК–НДДП за час ударного впливу; – вектор швидкості руху.

Сила удару визначається з системи рівнянь:

. | (9)

де S – поперечна площа розкату після деформації, що відбулася за рахунок ударного навантаження; Rk – плече додатка сили удару.

Облік динаміки у визначенні критичного напруження, при якому розкат може втратити поздовжню стійкість, передбачає вивчення зміни стану розкату в міжклітьовому проміжку.

Використовуючи умову рівноваги вигнутого розкату і після ряду спрощень одержали вираз для визначення критичної сили з урахуванням ударного навантаження:

, | (10)

Межа здійснення процесу ПР за критерієм поздовжньої стійкості визначається рівністю сил Fуд=Ркр.уд.. Сила удару розкату Fуд при вході в ролики НДДП визначається системою рівнянь (9), а критична сила удару Ркр.уд. з урахуванням динаміки – рівнянням (10).

Аналіз результатів досліджень стійкості розкату поздовжньому вигину в проміжку ПК–НДДП з урахуванням динаміки процесу, виконаний з використанням розробленої методики показав наступне:

- збільшення діаметра частин розкату після поділу підвищує стійкість розкату поздовжньому вигину (рис. . а);

- відстань між площинами осей валків ПК і роликів НДДП L не впливає на напруження від ударного навантаження, а на критичне напруження впливає назад пропорційно: зі збільшенням L – знижується величина критичного напруження (рис. . б, в);

а |

б |

в

Рис. . Вплив розмірів розділених частин розкату (а) і довжини проміжку ПК–НДДП (б, в) на критичне та ударне напруження в розкаті при реалізації процесу ПР: а, б – чорнова група дротового стану 250 ВАТ "ЄМЗ"; в – чистова група сортового стану 320 РУП БМЗ

- збільшення радіуса по вершині ролика R збільшує ударне напруження в розкаті (рис. . а);

- швидкість прокатки впливає на критичне напруження з урахуванням динаміки процесу несуттєво і робить значний прямо пропорційний вплив на напруження від ударного навантаження: зі збільшенням швидкості прокатки збільшується напруження від ударного навантаження (рис. . б, в).

а |

б |

в

Рис. . Вплив радіуса по вершині ділильного ролика (а) і швидкості прокатки (б, в) на критичне й ударне напруження в розкаті при реалізації процесу ПР: а, б – чорнова група дротового стану 250 ВАТ "ЄМЗ"; в – чистова група сортового стану 320 РУП БМЗ

У розділі  розроблена методика визначення резерву сил тертя у осередку деформації привідної кліті.

Методика заснована на визначенні суми поздовжніх напружень на вході і виході з ПК, при яких нейтральний кут стає рівним нулю. У випадку погодженого швидкісного режиму прокатки в ПК, що формує тонку перемичку, і суміжних привідних клітях, резерв сил тертя визначається максимальним напруженням підпору між ПК і НДДП, при якому нейтральний кут у ПК дорівнює нулю.

Максимальне напруження підпору, що відповідає повному вичерпанню резерву сил тертя в привідній кліті, визначається як:

, | (11)

де – значення нейтрального кута при вільній прокатці; f – коефіцієнт тертя; R – радіус катального валка визначений за приведеною смугою; h1 – кінцева товщина смуги, визначена за приведеною шириною.

Нейтральний кут для процесу прокатки без натягу визначається з виразу:

, | (12)

де h0 – товщина смуги за приведеною шириною на вході у ПК; – угол захоплення.

Розроблена програма розрахунку на ПЕОМ технологічних параметрів процесу прокатки–розділяння з урахуванням меж його здійснення за стійкістю розкату поздовжньому вигину в проміжку ПК–НДДП для різних умов реалізації процесу ПР, в основу якої покладена розроблена методика.

З використанням розробленої методики досліджений вплив різних параметрів прокатки на максимальне напруження підпору 1 у системі "ПК–НДДП". Аналіз результатів дослідження показав наступне:

- зі збільшенням товщини перемички розкату перед входом у ПК, максимальне напруження підпору, що призводить до пробуксовки металу у валках привідної кліті, збільшується (рис. . а);

- при незмінних геометричних параметрах перетину підкату на вході у ПК і діаметрі валків кількість частин багатожильного розкату не впливає на резерв сил тертя у ПК і максимальне напруження підпору;

- найбільший вплив на величину напруження підпору в процесі прокатки–розділяння здійснює діаметр частин розкату на виході з ПК (рис.9. б), радіус валків у ПК (рис. . в) і відношення . Чим менший радіус частин розкату на виході з ПК при постійній висоті розкату на вході і більше радіус валків привідної кліті, тим більше максимальне напруження підпору;

- збільшення відносини як за рахунок зниження коефіцієнта тертя, так і за рахунок збільшення кута захоплення, призводить до зниження напруження підпору.

а | б | в

Рис. . Вплив товщини перемички підкату в ПК (а), радіуса частин розкату на виході з ПК (б), радіуса валків ПК (в) на резерв сил тертя кліті

Розроблена програма розрахунку на ПЕОМ технологічних параметрів процесу прокатки–розділяння з урахуванням меж його здійснення за стійкістю розкату поздовжньому вигину в проміжку ПК–НДДП для різних умов реалізації процесу ПР, в основу якої покладена розроблена методика.

У розділі  надані результати практичного використання розроблених методів розрахунку параметрів процесу ПР при його реалізації в чорновій групі стану 250 ВАТ "ЄМЗ".

Розроблені в роботі методи розрахунку параметрів процесу прокатки–розділяння з застосуванням непривідного деформаційно-ділильного пристрою використовувалися:

- при розробці елементів технології прокатки–розділяння та конструкції інструменту для її реалізації (НДДП) в чорновій групі дротового стану 250 ВАТ "ЄМЗ";

- при удосконалюванні конструкції НДДП, використовуваного в процесі ПР в умовах безперервного дрібносортного стану 320 РУП БМЗ;

- при розробці технологічних пропозицій для організації виробництва арматурних профілів методом строєної прокатки–розділяння з застосуванням НДДП в умовах стану 550 заводу ім. Петровского.

Використання розроблених методів розрахунку параметрів процесу ПР із застосуванням НДДП дозволило істотно спростити і скоротити терміни проектування технології та устаткування для її реалізації в умовах чорнової групи стану 250 ВАТ "ЄМЗ". А використання розробленої технології на цьому стані, у свою чергу, дозволяє знизити витратах на розробку технології. Економічний ефект від скорочення витрат на проектування НДДП та процесу ПР на ділянці ПК–НДДП складає 37 000 грн на одну розробку.

Показано, що на підставі нових, виконаних у даній дисертаційній роботі, досліджень параметрів процесу ПР внесене коректування в конструкцію НДДП, призначеного для реалізації строєної прокатки–розділяння в чистовій групі стану 320 РУП БМЗ. Це дало можливість підвищити експлуатаційну стійкість ділильних роликів НДДП, зокрема, їх гребенів і знизити навантаження на підшипникові опори.

Розроблені рекомендації з конструювання деформаційно-ділильних роликів непривідного пристрою для пропозиції з організації та освоєння технології виробництва сортового прокату, зокрема, кутового та арматурного, заснованих на використанні процесу ПР на стані 550 заводу ім. Петровского.

ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу силової взаємодії розкату та інструменту встановлені залежності зміни сил, виникаючих в системі "ПК–НДДП" при реалізації процесу прокатки-розділяння з застосуванням непривідних деформаційно-ділильних пристроїв; сформульовані нові наукові положення, що розвивають теоретичну базу для розрахунку параметрів цього процесу, які полягають у встановленні меж здійснення процесу за критеріями стійкості розкату поздовжньому вигину, резерву сил тертя привідної кліті, що здійснює підготовку розкату до поділу, та опору непривідного деформаційно-ділильного пристрою під час поділу.

2. Встановлені нові залежності зміни сил, що виникають в НДДП в процесі поздовжнього поділу розкату, від технологічних параметрів процесу та конструктивних особливостей НДДП.

Для різних умов реалізації процесу ПР встановлено діапазон товщин перемички (s1), що з'єднує частини розкату, у межах цього діапазону відбувається її руйнування, з мінімальними зусиллями в НДДП. Так, для випадку реалізації процесу ПР у чорновій групі дротового стану 250 ВАТ "ЄМЗ" верхня границя діапазону товщин перемички визначається величиною s1=3,2 мм, а для умов поділу багатожильного розкату малого перерізу у чистовій групі дрібносортного стану 320 РУП БМЗ діапазон нижче і верхня границя діапазону складає s1=2,1 мм.

Встановлено, що зі зменшенням кута при вершині гребеня ролика НДДП () зусилля в НДДП зменшуються, проте величина обмежується мінімальним значенням, нижче якого розділяння розкату не відбувається. Так, для чорнової групи стану 250 ВАТ "ЄМЗ" 7490, а для чистової групи стану 320 РУП БМЗ 7890.

Встановлено, що зі збільшенням діаметра частини розкату сили в НДДП для діапазону від 10 до 17 мм збільшуються незначно. При подальшому збільшенні діаметра частини розкату сили в НДДП інтенсивно зростають. Так, навантаження, що виникають у НДДП, розрахованого для умов роботи в чорновій групі стану в 3-4 рази перевищують навантаження, що виникають у пристрої, під час поділу розкату в чистовій групі стану.

Показано, що збільшення радіуса ролика, радіуса закруглення перемички, що з'єднує частини розкату, і збільшення зазору між вершинами ділильних роликів несуттєво впливає на зміну радіального навантаження на підшипники НДДП та знижує опір, створюваний НДДП.

3. Встановлені межі здійснення процесу по стійкості розкату поздовжньому вигіну в проміжку привідна кліть – непривідний деформаційно-ділильний пристрій. Визначена сила удару, що виникає в початковій стадії взаємодії розкату і ділильних роликів, і критична сила, при якій розкат може втратити поздовжню стійкість, з урахуванням динаміки процесу в залежності від різних технологічних параметрів процесу: конструкційних параметрів НДДП, геометрії поперечного перерізу розкату, швидкості прокатки і довжини проміжку ПК–НДДП.

Показано, що збільшення діаметра частин розкату після поділу підвищує стійкість розкату поздовжньому вигину; відстань між площинами осей валків ПК і роликів НДДП не впливає на напруження від ударного навантаження, а на критичне напруження впливає назад пропорційно; збільшення радіуса по вершині ролика збільшує ударну напругу в розкаті; швидкість прокатки впливає на критичне напруження з урахуванням динаміки процесу несуттєво і здійснює значний прямо пропорційний вплив на напруження від ударного навантаження: зі збільшенням швидкості прокатки збільшується напруження від ударного навантаження.

4. Встановлені межі здійснення процесу за резервом сил тертя в привідний кліті. Визначений резерв сил тертя у осередку деформації привідної кліті. Показано, що:

- з збільшенням товщини перемички багатожильного розкату перед входом у ПК, максимальне напруження підпору, що призводить до пробуксовки металу у валках привідної кліті збільшується;

- при незмінних геометричних параметрах перетину підкату на вході в ПК і діаметрі валків, кількість відокремлюваних частин після поділу не впливає на резерв сил тертя в ПК і максимальне напруження підпору;

- найбільший вплив на величину напруження підпору в процесі прокатки–розділяння здійснює діаметр частин розкату на виході з ПК, радіус валків у ПК і відношення кута захвата к куту тертя . Чим менший радіус частин розкату на виході з ПК при постійній висоті розкату на вході і більший радіус валків привідної кліті, тим більше максимальне напруження підпору.

Показано, що в реальних умовах реалізації процесу ПР з застосуванням НДДП резерв сил тертя, вичерпання якого може привести до пробуксовки розкату в осередку деформації ПК, не є обмежуючим процес фактором.

5. Аналіз меж здійснення процесу ПР для умов стану 250 ВАТ "ЄМЗ" дозволив розробити пропозиції по конструкції калібру ПК, що формує розкат для поздовжнього поділу; установити діапазон толщин перемички, який забезпечує стабільність поділу; запропонувати раціональний кут при вершині гребеня ролика, що, в свою чергу, лягло в основу розробки конструкції непривідного деформаційно-ділильного пристрою для умов чорнової групи цього стану.

З використанням результатів даної роботи удосконалена конструкція НДДП для реалізації процесу ПР в умовах безперервного дрібносортного стану 320 РУП БМЗ і розроблені технологічні пропозиції для організації та освоєння виробництва кутових і арматурних профілів, які засновані на застосуванні процесу прокатки–розділяння з застосуванням НДДП, в умовах стану 550 заводу ім. Петровского.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ викладено

У НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Задачи исследования процесса прокаткиразделения с использованием автономных неприводных делительных устройств / С.М. Жучков, А.Ю. Оробцев, Л.В. Кулаков, И.В. Шувякова // Наукові праці ДонГТУ. Серія: Металургія. Донецк. – 2000. Вып. . С. .

2. Шувякова И.В., Жучков С.М. Кулаков Л.В. Аналитические исследования силового взаимодействия системы "приводная клеть – неприводное делительное устройство" при реализации процесса прокатки–разделения // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: "Наукова думка". – 2002. Вып. .– С.173-179.

3. Методика расчета усилий в неприводном делительном устройстве / И.В. Шувякова, С.М. Жучков, Л.В. Кулаков, А.Ю. Оробцев // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. – К.: "Наукова думка". – 2001. – Вып. . С. .

4. Шувякова И.В., Жучков С.М., Кулаков Л.В. Разработка методики определения сил, возникающих в неприводном делительном устройстве при реализации процесса прокатки–разделения // Пластическая деформация металлов. – Днепропетровск. 2002. С. .

5. Продольная устойчивость многониточного раската в процессе прокатки-разделения / С.М. Жучков, И.В. Шувякова, А.Н. Бондаренко, Л.В. Кулаков // Сталь. – 2002. – № . – С. .

6. Шувякова И.В., Жучков С.М., Кулаков Л.В. Исследование резерва сил трения в очаге деформации приводной клети, формирующей раскат для продольного разделения // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії. Краматорськ-Слов'янськ. – 2003. – С. .

7. Неприводные делительные устройства в процессе прокатки–разделения / С.М. Жучков, А.П. Лохматов, Л.В. Кулаков, Э.В. Сивак, И.В. Шувякова, А.Ю. Ороб-цев // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії. Краматорськ-Слов'янськ. – 2000. – С. .

8. Направление развития конструкций неприводных делительных устройств / С.М. Жучков, Э.В. Сивак, Л.В. Кулаков, И.В. Шувякова, А.Ю. Оробцев // Теория и практика производства проката. Липецк. – 2001. – С. .

9. Разработка, исследование и освоение технологии прокатки–разделения в черновой группе непрерывного проволочного стана при производстве катанки из заготовок увеличенного сечения / Л.Ф. Литвинов, А.Ю. Оробцев, С.М. Шевердин, И.И. Букреев, С.М. Жучков, А.П. Лохматов, Л.В. Кулаков, И.В. Шувякова // Пластическая деформация металлов. – Днепропетровск. 2002. С. .

10. Пат.  А Україна, МПК6 7 В21В /02. Касета для подовжнього поділу розкату / С.М. Жучков, Л.Ф. Літвінов, Л.ВКулаков, І.В. Шувякова та інші (Україна). № ; Заявл. .08.2001; Опубл. .02.2003, Бюл. №2. 3с.

11. Пат. Україна. Пристрій для подовжнього поділу розкату / С.М. Жучков, Л.В. Кулаков, І.В. Шувякова та інші (Україна). (Заявка № ; Заявл. .08.2001; Позитивне рішення).

12. Пат. Україна, МПК6 В21В ?. Система калібрування валків безперервного сортового стана / С.М. Жучков, Л.Ф. Літвінов, Є.В. Сівак, І.В. Шувякова та інші (Україна). № ; Заявл. .09.2000; Опубл. .02.2003, Бюл. №2. – 5с.

13. Прокатка–разделение. Тенденции развития технологии и оборудования / С.М. Жучков, В.В. Филиппов, Л.В. Кулаков, А.Н. Бондаренко, В.А. Тищенко, И.В. Шувякова // АО "Черметинформация". Бюллетень "Черная металлургия". – 2002. – № . – С. .

14. Расширение сортамента и повышение эффективности производства сортового проката с применением технологии прокатки-разделения / С.М. Жучков, Б.С. Полатовский, Г.В. Бергеман, Э.В. Сивак, Л.В. Кулаков, И.В. Шувякова // Новости черной металлургии России и зарубежных стран. Часть I. АО "Черметинформация". Бюллетень "Черная металлургия". – 2000. – № 5-6. – С.34-38.

15. Расширение сортамента и повышение эффективности производства сортового проката с применением нетрадиционных технологических решений / С.М. Жучков, Э.В. Сивак, Л.В. Кулаков, И.В. Шувякова // Производство проката. – 2000. – № 10. – С.12-16.

АННОТАЦИЯ

Шувякова И.В. Развитие методов расчета параметров процесса многоручьевой прокатки-разделения на основе анализа силового взаимодействия раската и инструмента. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – "Процессы и машины обработки давлением", Институт черной металлургии им. З.И. Некрасова НАН Украины, г. Днепропетровск, 2003.

Работа посвящена развитию научно-методической базы расчета параметров процесса прокатки–разделения с использованием неприводных деформационно-делительных устройств на основе анализа силового взаимодействия раската и неприводного деформационно-делительного устройства.

С использованием разработанных методов расчета параметров процесса многоручьевой ПР с применением неприводных деформационно-делительных устройств установлены границы осуществимости этого процесса. Эти границы определяются резервом втягивающих сил трения в очаге деформации клети, устойчивостью многониточного раската продольному изгибу в промежутке ПК–НДДУ и зависят от сопротивления, которое оказывает неприводное устройство в процессе разделения.

Разработана методика определения сил, возникающих в НДДУ, использование которой позволяет определить параметры процесса ПР: геометрические параметры конструкции неприводного деформационно-делительного устройства и поперечного сечения раската, величину сопротивления неприводного устройства в процессе разделения и др.

Выполнен анализ влияния параметров процесса ПР на величину критического напряжения, возникающего в раскате при потере продольной устойчивости, на основании разработанной методики определения устойчивости раската в промежутке приводная клеть – неприводное деформационно-делительное устройство с учетом динамики процесса. Установлены границы осуществимости процесса ПР по критерию устойчивости раската продольному изгибу, которые определяются состоянием раската в промежутке во время удара его о ролики устройства и величиной критического напряжения.

Разработана методика определения резерва сил трения в очаге деформации приводной клети, направляющей раскат в НДДУ. Показано, что в реальных условиях реализации процесса ПР с применением НДДУ резерв сил трения не является ограничивающим процесс фактором.

Сформулированные новые научные положения позволят существенно упростить разработку технологических предложений по использованию процесса ПР в условиях конкретных станов. Что, кроме прочего, даст возможность совершенствовать реализованные на практике технологические решения, основанные на использовании процесса ПР, и проектировать новые технологии для решения различных задач сортопрокатного производства.

Разработанные в