Донбаська державна машинобудівна академія

ЛУЦЕНКО ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.771.01:621.771.8:621.771.23:621.771.09

РОЗВИТОК ТЕОРЕТИЧНИХ ОСНОВ І ВДОСКОНАЛЕННЯ КОМПЛЕКСНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ВИРОБНИЦТВА ДВОШАРОВИХ ЛИСТІВ ПАКЕТНИМ СПОСОБОМ

Спеціальність

05.03.05 - процеси і машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Краматорськ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України (ДонДТУ, м. Алчевськ).

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Сатонін Олександр Володимирович,

Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорськ), професор кафедри автоматизованих металургійних машин і обладнання;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Василев Янакі Димитров,

Національна металургійна академія України

(м. Дніпропетровськ), професор кафедри обробки

металів тиском;

доктор технічних наук, професор

Бейгельзімер Яків Юхимович,

Донецький фізико-технічний інститут НАН України

(м. Донецьк), провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор

Рябічева Людмила Олександрівна,

Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля

(м. Луганськ), завідувач кафедри прикладного

матеріалознавства

Захист відбудеться “30” жовтня 2007 р. в 10 00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій в Донбаській державній машинобудівній академії (84313, Краматорськ, вул. Шкадінова 72, 1- й учбовий корпус).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, Краматорськ, вул. Шкадінова 72, 1- й учбовий корпус).

Автореферат розісланий “ ”____________2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 12.105.01 Ю.К. Доброносов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У зв'язку з розвитком хімічного, нафтового, енергетичного, сільськогосподарського машинобудування, суднобудування та інших галузей промисловості зростає потреба і в багатошарових заготівках, які при високих експлуатаційних характеристиках забезпечують значну економію дорогих кольорових металів і високолегованих сталей. Це викликає необхідність рішення різних технічних проблем з вибору найраціональніших технологічних процесів виробництва, що, у свою чергу, повинне бути засновано на результатах комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, що забезпечують підвищення ступеня наукової обґрунтованості схвалюваних рішень, що приймаються, і, в результаті, підвищення їхньої ефективності.

Актуальність теми. Не дивлячись на багаторічний досвід виробництва біметалевих листів пакетним способом і успіхи в теоретичному обґрунтовуванні параметрів технологічних процесів, виробництво їх пов'язано з великою витратою матеріальних і енергетичних ресурсів. Так, витратний коефіцієнт при виробництві корозійностійких листів залежно від типу пакету і прокатного стану змінюється від 1.7 до 2.29, що пов'язане з особливостями конструкції пакету і його нагріву, а також з достатньо великою величиною обрізі; підвищеній витраті металу сприяє і розкриття пакетів при прокатці. Негативно на вихід годного впливає також наявність несуцільностей з'єднання шарів, що вимагає додаткової вирізки дефектних зон.

З погляду витрати металу в науково-технічній літературі недостатньо повно обґрунтовані конструктивні параметри пакету, такі як співвідношення товщини основного і плакуючого шарів, величина зазорів між герметизуючою планкою і пластинами плакуючого шару, товщина і спосіб нанесення проміжного підшару, склад і спосіб підготовки розділової обмазки, а також величина обрізі при різанні розкатів і режими обтискань, що забезпечують отримання готової продукції при мінімальній витраті металу і відсутності розкриттів пакетів при прокатці.

До теперішнього часу в технічній літературі відсутні рекомендації з вибору режимів правлення біметалевих розкатів і дані з механічних властивостей двошарових листів, необхідних для розрахунку завантаження правильних машин.

Розрахунок завантаження прокатного стану нерозривно пов'язаний з розрахунком енергосилових параметрів прокатки, при цьому існуючі методики в основному призначені для спрощених умов прокатки без урахування геометричної і температурної асиметрії.

Однією з причин дуже низького рівня використання у вітчизняній практиці виробництва деяких видів біметалів, зокрема, сталь-титан, є відсутність ефективних схем виробництва, що забезпечують гарантовану міцність з'єднання шарів і необхідні експлуатаційні властивості при ціні біметалу, що не перевищує ціну металу плакуючого шару.

У зв'язку з вищевикладеним подальший розвиток теоретичних основ і вдосконалення комплексних технологій виробництва двошарових листів пакетним способом є задачами актуальними і мають для підприємств України важливе наукове і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до тематичних планів Комунарського гірничо-металургійного інституту (нині Донбаський державний технічний університет) 1980-1991 гг. в рамках щорічних координаційних планів Міністерства СРСР з науково-технічного напряму “Виробництво біметалів” і господарських договорів між Комунарським гірничо-металургійним інститутом, Коммунарським металургійним заводом (нині Алчевський металургійний комбінат) і Інститутом електрозварювання ім. Е.О. Патона АН УРСР (ГР 78008343, Гр 80010618, ГР 81035389, ГР 01823026986, ГР 01830028207, ГР 81035388, ГР 01840045924, ГР 001840045924, ГР 01850082701, ГР 01860060726, ГР 01880013768, ГР 01900041148, ГР 01910027313, ГР UA 01001392), а також в рамках бюджетної тематики відповідно до пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки, які визначені в Законі України “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки” (наукові напрями “Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі” і “Обладнання і спеціальні технології металургійного виробництва”) кафедри обробки металів тиском і металознавства Донбаського державного технічного університету “Розвиток ресурсозберігаючих технологій обробки металів тиском” (ГР 0103U0025338, наказ Міністерства освіти і науки України № 746 від 07.11.2003г.).

Автор є відповідальним виконавцем наведених госпдоговірних робіт і керівником держбюджетної роботи.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення якості, економія металу і енергоресурсів за рахунок упровадження комплексних технологій виробництва двошарових листів пакетним способом на основі розвитку теоретичних основ і вдосконалення технологічних процесів їх виробництва на всіх етапах – при збірці пакетів, їхній прокатці і обробці розкатів. Для досягнення поставленої мети сформульовані та вирішені наступні задачі:

· Проаналізувати вплив конструктивних параметрів пакету – співвідношення товщини основного і плакуючого шарів, товщини і способу нанесення підшару, складу і способу підготовки розділової обмазки, зазорів між пластинами плакуючого шару і герметизуючою планкою – на якість двошарових листів і витрату металу і розробити рекомендації з їх удосконалення з метою підвищення техніко-економічних показників виробництва.

· Розробити математичні моделі формозмінення компонентів пакету і енергосилових параметрів прокатки багатошарових композицій з геометричною і температурною асиметрією і з їх використанням забезпечити подальший розвиток теоретичних основ виробництва двошарових листів.

· Розробити методику дослідження процесу правки чотиришарових біметалевих розкатів, встановити особливості вказаного процесу, експериментально визначити значення механічних властивостей двошарових листів різних поєднань і товщини при згинанні; визначити вплив температури виправлення на неплощинність двошарових листів різних поєднань і товщини і розробити рекомендації з вибору параметрів процесу виправлення, що забезпечують мінімальну неплощинність двошарових листів.

· Розробити на основі теоретичних і експериментальних досліджень комплексні технології виробництва двошарових листів пакетним способів, що забезпечують підвищення якості продукції і зниження витрати металу.

· Розробити ефективні способи отримання біметалу сталь-титан і обґрунтувати вихідні дані для реалізації технологічного процесу.

· Випробувати результати дисертаційної роботи в промислових умовах і упровадити у виробництво.

Об'єкт дослідження. Процес виробництва двошарових біметалевих листів пакетним способом

Предмет дослідження. Основні закономірності і методики розрахунку енергосилових параметрів і формозмінення двошарових листів при прокатці і виправленні; резерви підвищення ефективності виробництва двошарових листів.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень покладені методи теорії пружності і пластичності, які включають інженерні і чисельні інтерпретації, методи математичної статистики і методи теорії планованого експерименту. Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних і промислових умовах із застосуванням сучасних приладів, стандартного обладнання і спеціально розробленого оснащення і включали фізичне моделювання і натурні дослідження, методи тензометрії, методи вимірювання геометричних параметрів і міцностних характеристик.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають наступні основні положення:

· вперше експериментально встановлений зв'язок товщини підшару з нікелевої фольги, нерівномірності деформації компонентів пакету і міцності з'єднання шарів біметалу та встановлений діапазон позитивного впливу нерівномірності деформації компонентів пакету на міцність з'єднання шарів; вперше одержані теоретичні і експериментальні дані про вплив складу розділової обмазки на якість з'єднання шарів, науково обґрунтовані склад і режими підготовки розділової обмазки, що забезпечують мінімальну кількість забруднень контактних поверхонь при нагріві пакетів і підвищення якості з'єднання шарів;

· уточнена математична модель гарячої прокатки чотиришарового біметалевого пакету, яка враховує характер зламу ліній ковзання під час переходу через межу з'єднання шарів, і на ії основі вперше одержана залежність критичного значення параметра форми, що визначає початок сумісної деформації при прокатці пакетів найпоширеніших поєднань в першому проході від відношення товщини плакуючого шару до товщини пакету і температури; узагальнені закономірності зміни пошарової деформації при прокатці пакетів, уточнено вплив різних параметрів і вперше науково обґрунтовано вплив параметрів герметизуючої рамки на розкриття пакету і механізм розкриття при вживанні рамки з м'яких сталей;

· вперше запропоновано і реалізовано математичне моделювання енергосилових параметрів прокатки і формозмінення багатошарових композицій з геометричною і температурною асиметрією; уточнений розподіл моментів між валками, які контактують з твердою і м'якою складовими пакету;

· вперше запропонований і науково обґрунтований принцип побудови режиму холодного виправлення чотиришарових розкатів, який полягає в тому, що перші проходи проводяться з максимальними перекриттями, а останній проводиться після кантування із зниженим перекриттям, а також вперше експериментально одержані залежності неплощинності двошарових листів від температури холодного виправлення для різних поєднань основного і плакуючого шарів і товщини; вперше експериментально одержані діаграми вигину біметалевих розкатів різної товщини і поєднань основного і плакуючого шарів;

· науково обґрунтовано спосіб отримання біметалу сталь-титан із застосуванням силіцювання титана; експериментально визначені параметри силіцювання, що забезпечують отримання максимальної міцності з'єднання; вперше на кількісному рівні встановлена роль схеми прокатки біметалевої композиції сталь-титан на міцність з'єднання шарів; встановлено, що підвищення міцності з'єднання шарів біметалу можна досягти не тільки збільшенням першого обтискання, але і прокаткою в 2-х напрямах, що особливо важливо в тих випадках, коли величина першого обтискання обмежена. Вперше експериментально одержані дані, що характеризують нерівномірність деформації при прокатці біметалу сталь-титан з урахуванням реальних умов прокатка на промислових станах; вперше запропонований і науково обґрунтований спосіб отримання біметалу сталь-титан із застосуванням механічного зачіплення; теоретично визначені і експериментально підтверджені параметри форми зачіплення залежно від співвідношення міцностних характеристик металів, що сполучаються.

Практична цінність одержаних результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи представляють наступні основні результати і положення:

· математичні моделі і програмне забезпечення для визначення пошарової деформації при прокатці пакетів, енергосилових параметрів і методики, які дають можливість визначити раціональні конструктивні параметри пакетів і режими їх обтискань, що забезпечують зниження витрати енергії і металу;

· спосіб прокатки пакетів з рівнотовщинними слябами основного шару, що забезпечує зниження витрати металу на 6-8%;

· комплекс способів виробництва двошарових листів із застосуванням подвійного гальванічного нікелювання, нікелевої фольги і комбінованих підшарів, що забезпечують отримання двошарових листів з необхідною якістю з'єднання шарів при мінімальних витратах;

· склад і спосіб підготовки розділової обмазки між пластинами плакуючого шару, що забезпечують зниження газовиділень при нагріванні пакету, стабільний стан нікелевого покриття, відсутність відшаровувань нікелевого покриття при нагріванні в методичній печі і, в результаті, підвищення якості з'єднання шарів;

· комплекс конструкцій пакетів, що включає конструкції пакетів для поперечної схеми прокатки, уніфікованих пакетів, пакетів для використання некондиційних пластин плакуючого шару, пакетів з уточненими параметрами зазорів між герметизуючою планкою і пластинами плакуючого шару, вживання яких забезпечує зниження витрат металу і трудомісткості виготовлення пакетів;

· рекомендації щодо диференційованого підходу до вибору матеріалу герметизуючої планки, вживання якого знижує вірогідність розкриття пакетів при прокатці;

· режим виправлення біметалевих розкатів, що передбачає підвищені перекриття в перших двох проходах і зниження в останньому, а також лімітуючий максимальну температуру виправлення, вживання якого дозволяє підвищити кількість двошарових листів двошарові листи з неплощинністю, відповідною ГОСТ 10885-85, до 100%;

· спосіб отримання біметалу сталь-титан, який передбачає попереднє силіціювання поверхні титана, і рекомендації з призначення схеми прокатки, що забезпечує підвищення якості з'єднання шарів; умова охолоджування біметалевої смуги, що забезпечує зниження рівня залишкових напружень у листі та крихких поєднань в перехідній зоні і, в результаті, підвищення якості продукції.

· спосіб виробництва біметалевих композицій, що передбачає утворення механічного зачіплення в процесі прокатки і забезпечує утворення надійного з'єднання металів, які важко з'єднуються звичними методами обробки тиском.

Основні результати роботи пройшли випробування в промислових умовах і впроваджені на Алчевському металургійному комбінаті (спосіб прокатки пакетів з рівнотовщинними слябами основного шару, технологічний процес прокатки двошарових листів із застосуванням подвійного нікелювання, технологічний процес виробництва двошарових листів із застосуванням нікелевої фольги замість гальванічного нікелевого покриття і конструкція пакету для його здійснення, спосіб виробництва двошарових листів із застосуванням комбінованих підшарів, що об'єднує в собі переваги гальванічного покриття і нікелевої фольги, склад розділової обмазки і спосіб її підготовки, спосіб фіксації пластин плакуючого шару, конструкції пакетів для поперечної схеми прокатки, для використовування некондиційних пластин плакуючого шару і уніфіковані пакети, режими виправлення чотиришарових біметалевих розкатів, рекомендації з величини обрізі) і Маріупольському металургійному комбінаті (технологічний процес виробництва двошарових листів із застосуванням нікелевої фольги замість гальванічного нікелевого покриття, конструкція пакету).

Матеріали роботи використовуються в навчальному процесі Донбаського державного технічного університету на кафедрі ОМТ і М при вивченні курсу “Технологія процесів прокатки”, а також при виконанні студентами дипломних і магістерських робіт.

Особистий внесок претендента Більшість основних результатів досліджень одержана і узагальнена автором самостійно. Всі оригінальні ідеї і методи досліджень належать автору. Автором самостійно здійснена постановка лабораторних і промислових експериментів, включаючи математичне планування, особисто оброблені і узагальнені результати досліджень, виконаних як самим автором, так і з його участю. Самостійно розроблені математичні моделі гарячої прокатки пакетів, залишкових напружень в біметалевому розкаті, утворення механічного зачіплення, розкриття пакету при прокатці, виконаний аналіз чисельної реалізації і сформульовані практичні рекомендації. У роботах, виконаних в співавторстві, автору належить аналіз розроблених технологічних процесів. методика проведення і участь в промислових і лабораторних експериментах, постановка задач, варіанти розривних полів, узагальнення результатів і розробка рекомендацій з впровадження результатів досліджень у виробництво.

Апробація результатів дисертації Основні положення роботи докладалися і обговорювалися на: III Всесоюзній науково-технічної конференції “Теоретичні проблеми прокатного виробництва”, (Дніпропетровськ, 1980 р.); Республіканському семінарі “Підвищення ефективності виробництва і зниження витрати металу при виробництві прокату”, (Київ, 1982 р.); IV Всесоюзній науково-технічній конференції “Теоретичні проблеми прокатного виробництва”, (Дніпропетровськ, 1988 р.), Всесоюзному семінарі “Ресурсозберігання у виробництві листового прокату”, (Москва, 1990 р.), V Міжнародній науково-технічній конференції “Теоретичні проблеми прокатного виробництва”, (Дніпропетровськ, 2000 р.), Міжнародній науково технічній конференції “Пластична деформація металів”, присвяченій 100-річчю з дня народження А.П. Чекмарьова, (Дніпропетровськ, 2002 р.), Міжнародній науково технічній конференції “Перспективні технології і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні”, (Краматорськ, 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки металів тиском”, (Краматорськ, 2003 р.), Міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні методи моделювання процесів обробки металів тиском”, (Краматорськ, 2006 р.), 4-у Конгресі прокатників, (Магнітогорськ, 2002 р.), 5-у Конгресі прокатників (Череповець, 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Нові методи і засоби дослідження процесів і машин обробки тиском (Краматорськ, 2005), Міжнародній науково-технічній конференції пам'яті Потапкіна В.Ф. (Краматорськ, 2007), Міжнародній науково-технічній конференції “Фізико-механичні проблеми формування структури і властивостей матеріалів методами обробки тиском”, (Краматорськ, 2007 р.), координаційних нарадах МінЧерМета СРСР по напряму “Виробництво біметалів” (1980-1986 р.р); щорічних науково-технічних конференціях Донбаського державного технічного університету (ДонДТУ) та розширених наукових семінарах кафедри обробки металів тиском та металознавства ДонДТУ (1985 –2007 р.р.).

Публікації. Основні наукові і прикладні результати дисертаційної роботи викладені в 43 публікаціях, з них 24 в 22-х спеціалізованих згідно переліку ВАК України виданнях. Серед них: 1 навчальний посібник, 17 персональних статей, 13 статей в співавторстві та 12 авторських свідоцтв СРСР і патентів України.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний об'єм роботи 512 сторінок, зокрема 290 сторінок основного тексту, 110 малюнків на 74 сторінках, 23 таблиць на 22 сторінках, список використаних джерел з 330 найменувань і 3 додатки на 89 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету і задачі роботи, викладена наукова новизна і практична значущість одержаних результатів.

Технологія, устаткування і методи розрахунку процесів отримання двошарових листів (аналіз стану питання).

У технічній літературі показано, що однією з самих насущних задач, що стоять перед вітчизняною металургією, машинобудуванням і всіма металоспоживаючими галузями промисловості є зниження металоємності продукції, що випускається. Раціональне використання металу, підвищення його якості, освоєння нових ресурсозберігаючих технологій виробництва металопродукції можуть вирішити проблему повного задоволення потреб країни в цьому головному конструкційному матеріалі. Основну роль в досягненні вказаних цілей виконує вдосконалення структури металопродукції в результаті розширення випуску економічних її видів і матеріалів нового покоління, до яких відносяться і шаруваті металеві композиції – матеріали, що складаються з двох або більш різнорідних металів об'єднують в собі властивості складових і одержують нові якості, відмінні від якостей початкових металів.

Великий внесок в рішення задач, пов'язаних з теорією і технологією виробництва біметалів внесли учені Айнбіндер С.Б., Аркуліс Г.Э., Архангельский В.М., Астров Е.І., Бельгейзімер Я.Ю., Беседін А.І., Бояршинов М.І., Бринза В.М., Бровман М.Я., Биков А.А., Гельман А.С., Гільденгорн М.С., Голованенко С.О., Громов М.П., Гуляєв А.С., Дерибас А.А., Дмитров П.М., Долженков Ф.Е., Єршов А.А., Засуха П.Ф., Казаков М.Ф., Каракозов Э.С., Карнаушенко М.А., Капустіна М.І., Кобельов А.Г, Коковіхін Ю.І., Коліков А.П., Колмогоров В.Л., Колпашніков А.И., Коновалов Ю.В., Корщиков В.Д., Король В.К., Корягін Н.І., Красулін Ю.Л., Кривоносов Ю.І., Крупін О.В., Кудінов В.М., Кузнєцов Є.В., Кучеряев Б.В., Лукашкін М.Д., Мастеров В.О., Меандров Л.В., Медовар Б.І., Павлов І.М., Патон Б.Є., Пірязев Д.І., Полухін П.І., Потапкін В.Ф., Потапов І.Н., Сатонін О.В., Семенов О.П, Смирнов В.С., Устименко В.А., Чарухіна К.Б., Чернишов В.М., Чиченев Н.А., Шоршоров М.Х. і інші, в роботах яких були розроблені і упроваджені численні технологічні процеси виробництва біметалевих композицій самого різного призначення.

Проведений літературний аналіз видів біметалів, їх класифікації, області вживання і способів виробництва показав, що найобширніший клас біметалів в даний час представляють корозійностійкі композиції, причому основну масу плакованих листів одержують пакетним способом в гарячому стані.

Аналіз відомих технологічних рішень в області виробництва двошарових листів пакетним способом дозволив виділити п'ять груп питань, дослідженню яких присвячена дана робота, і рішення яких забезпечило вдосконалення існуючих технологій, розробку нових технологічних процесів і підвищення техніко-економічних показників виробництва двошарових корозійностіких листів.

До першої групи відносяться питання вдосконалення конструктивних параметрів пакетів і процесів їх збирання. Конструктивні параметри пакетів, такі, як співвідношення товщини основного і плакуючого шарів, зазори між пластинами плакуючого шару і герметизуючою рамкою, товщина і вид проміжного підшару, склад і спосіб підготовки розділової обмазки визначають витрату металу і якість з'єднання шарів.

До другої групи відносяться питання формозмінення складових пакету і енергосилові параметри прокатки. Для вирішення цих питань потрібна розробка математичних моделей, які дозволяють з урахуванням реальних умов прокатки визначити параметри пакету і режими обтискань, що забезпечують отримання продукції заданих розмірів при мінімальній витраті металу і енергії. Окрім цього, до цієї групи відносяться питання розробки заходів, що забезпечують зниження кількості розкриттів пакетів при прокатці.

Третя група пов'язана з питаннями вдосконалення на основі теоретичних і експериментальних досліджень обробних операцій біметалевих розкатів, а саме виправлення і різання, що дозволяє підвищити площинність двошарових листів і знизити витрати металу.

Четверту групу складають питання розробки технологічного процесу виробництва біметалевих листів поєднання сталь – титан, що забезпечують отримання продукції з необхідними експлуатаційними властивостями .

П’ята група питань включає теоретичні і експериментальні дослідження процесу отримання біметалів з важкопоєднуваних металів, зокрема, сталі і титана із застосуванням ефективного механічного зачіплення.

Вибір напряму і методів досліджень процесів

виробництва двошарових листів

Основним напрямом теоретичних і експериментальних досліджень є підвищення якості, економія металу і енергоресурсів за рахунок упровадження комплексних технологій виробництва двошарових листів пакетним способом на основі розвитку теоретичних основ і вдосконалення технологічних процесів їх виробництва на всіх етапах, що повинне бути засноване на результатах комплексних теоретичних і експериментальних досліджень та забезпечувати підвищення ступеня наукової обґрунтованості ухвалюваних рішень і, в результаті, підвищення їхньої ефективності.

У основу теоретичних досліджень технології прокатки біметалевих пакетів були покладені методи теорії пружності, пластичності, теорії обробки металів тиском, розробка чисельних математичних моделей, методи планування експерименту і статистичного аналізу.

Теоретичні дослідження процесу формозмінення складових пакету було здійснено на основі енергетичного підходу, а саме методу верхньої оцінки, тобто шляхом побудови і подальшого аналізу кінематично можливих полів у фізичній площині і площині годографа. Слід зазначити, що цей метод дозволяє повною мірою врахувати двомірний характер пластичного формозмінення.

Визначення енергосилових параметрів процесу прокатки біметалевих розкатів і формозмінення в умовах геометричної і температурної асиметрії проводилося із застосуванням методу кінцевих елементів в його програмній інтерпретації в пакеті Abaqus .

Визначення величини залишкових напружень і напряму вигину двошарових листів в результаті виправлення було проведено методом розчленовування тіла, що є окремим випадком методу кінцевих елементів, а визначення величини і знаку залишкових напружень при виправленні виконано з використанням теореми про розвантаження.

Прогнозування процесів, що відбуваються в закритих чотиришарових пакетах при нагріванні і визначають стан контактних поверхонь і, в результаті, якість з'єднання шарів, проводився методом ізобарних потенціалів.

Теоретичне дослідження процесу утворення механічного зачіплення при з'єднанні металів з різним рівнем механічних властивостей було проведено інженерними методами.

Теоретичне дослідження умов охолоджування біметалу, що складається з компонентів з великою відмінністю коефіцієнтів лінійного розширення, було проведено інженерним методом з використанням основних положень теплопередачі.

Оцінка міри достовірності результатів теоретичних рішень і уточнення вихідних передумов були здійснені шляхом експериментальних досліджень, виконаних як в лабораторних умовах на наявному стандартному устаткуванні, так і на оригінальному, і на діючих прокатних станах. В основу експериментальних досліджень покладені методи фізичного моделювання, тензометрії і статистичної обробки.

Удосконалення конструктивних параметрів чотиришарових пакетів, вживаних для виробництва двошарових листів

Основними параметрами, що впливають на витрату металу і якість з'єднання шарів, є геометричні розміри основного і плакуючого шарів, величина зазорів між герметизуючою рамкою і пластинами плакуючого шару, параметри проміжного підшару, склад і спосіб підготовки розділового шару.

Вживання в пакетах слябів різної товщини, обумовлене нерівномірним нагріванням пакетів в методичній печі, обумовлює підвищення витрати металу на 5 - 6% у зв'язку із сповзанням в обрізь металу більш нагрітого і товщого сляба. На основі теоретичних розрахунків падіння температури розкату при прокатці і моделювання формозмінення компонентів пакету в умовах геометричної і температурної асиметрії запропонований і упроваджений в умовах стану 2800 Алчевського металургійного комбінату спосіб виробництва двошарових листів з пакетів з рівнотовщинними слябами основного шару, що полягає в охолоджуванні більш нагрітого верхнього сляба пакету в процесі прокатки за допомогою гідрозбиву, встановленого на чорновій кліті, шляхом асиметричної подачі води на верхню і нижню сторони пакету (А.с. № 1176982). Використання даного способу дозволило понизити витратний коефіцієнт на 0,06кг/т.

Проміжний гальванічний нікелевий підшар, розташований між основним і плакуючим шарами, основним призначенням якого перешкода дифузії вуглецю з основного шару в плакуючий і зменшення рівня окислення контактної поверхні металу плакуючого шару, має високу пористість, що погіршує якість з'єднання шарів. Запропонований спосіб подвійного нікелювання, який припускає розбиття процесу на два етапи, тобто на першому етапі наносити тонкий нікелевий підшар, а на другому етапі – формувати основну товщину підшару.. Листи, одержані за існуючою технологією, мають наступні показники: 1-й клас 52%, 2-й клас – 18%, 3-й клас – 17%, 4-й клас -12% при міцності з'єднання 270-387 МПа.

Однією з причин нестабільного розподілу міцності з'єднання шарів в двошаровому листі є нерівномірність товщини гальванічного нікелевого підшару. Окрім цього, нанесення гальванічного підшару характеризується великими трудовитратами і низькою продуктивністю. У зв'язку з цим в рамках співпраці з Інститутом Електрозварювання ім. Є.О. Патона була досліджена можливість отримання двошарових листів із застосуванням нікелевої фольги замість гальванічного покриття, що значно підвищує продуктивність і знижує трудомісткість процесу виготовлення пакету.

Якість з'єднання шарів двошарової сталі певною мірою залежить від деформації підшару, що визначає умови з’єднання. В результаті дослідження впливу товщини нікелевого підшару на якість з'єднання шарів встановлений зв'язок нерівномірності деформації підшару і міцності з'єднання шарів (рис.1), при цьому коефіцієнт нерівномірності деформації розраховували по формулі

(1)

де і – товщина пакету до і після прокатки, і – товщина нікелевого підшару до і після прокатки.

Рис.1 –Залежність коефіцієнта нерівномірності деформації (а) та міцності з’єднання шарів від товщини підшару

Мінімальне значення міцності з'єднання відповідає максимальним значенням коефіцієнта нерівномірності; сприятливіші умови для схоплювання мають місце при менших значеннях коефіцієнта нерівномірності деформації при значеннях його менше одиниці, тобто коли нікелевий підшар прагне до більшої деформації, ніж пакет в середньому (А.с. № 1482740). Для реалізації цього процесу була розроблена нова конструкція пакету зі зниженим вмістом повітря.

Промислове випробування отримання двошарових листів з пакетів нової конструкції із застосуванням нікелевої фольги завтовшки 70 мкм замість гальванічного нікелевого покриття в умовах Алчевського металургійного комбінату показало, що всі листи по суцільності з'єднання відповідають вимогам ГОСТ 10885-85: 0 клас – 60%, 1 -й клас – 25%, 2 -й клас – 15% при міцності з'єднання на зріз 307-355 Мпа/

Вживання нікелевої фольги у якості проміжного підшару дозволяє одержати рівномірну товщину підшару, проте при цьому окислення поверхні пластин плакуючого шару викликає деяке зниження міцності з'єднання шарів.

Розроблений спосіб виробництва двошарових листів з комбінованим підшаром, що включає нанесення тонкого шару гальванічного нікелю і основного шару з нікелевої фольги (Пат. № 17123). При цьому тонкий шар гальванічного покриття перешкоджає окисленню поверхні пластини плакуючого шару, а вживання проміжного підшару з нікелевої фольги дозволяє запобігти навуглецюванню металу плакуючого шару і забезпечити стабільність товщини підшару, а отже, понизити розкид міцності з'єднання шарів, підвищити якість з'єднання шарів і вихід годного.

Запропоновані способи – подвійне нікелювання, вживання нікелевої фольги замість гальванічного покриття, комбінований спосіб, що полягає в одночасному використанні гальванічного нікелевого підшару і нікелевої фольги – дозволяють підвищити якість з'єднання шарів відповідно вимогам стандартів, проте з різним рівнем якісних показників. Тому вибір виду підшару і способу його нанесення повинні бути пов'язані з вимогами до експлуатаційних властивостей виробів, виготовлених їх двошарових листів.

Властивості розділової обмазки в значній мірі визначають якість з'єднання шарів біметалу у зв'язку з дією її на стан контактних поверхонь. Досліджені властивості найпоширеніших видів розділової обмазки, що складаються з сірчанокислого магнію (MgSO4) і карбонату магнію (MgCO3) і сірчанокислого магнію (MgSO4) і магнезиту (MgО). Дослідження впливу температури на кількість газовиділень, дозволили встановити, що сушка повинна проводитися при температурі не менше 70 0С протягом 40-60 хвилин (А.с. №1397105). Встановлено, що якнайменша кількість газовиділень при нагріві спостерігається при нагріванні обмазки складу MgO – MgSO4 із співвідношенням компонентів 4:1. При цьому було наголошено на значно вищій міцності розділової обмазки складу MgO – MgSO4 . Теоретичні дослідження методом ізобарних потенціалів процесів, що відбуваються усередині пакету при нагріванні показали, що атмосфера , що утворюється при нагріванні пакетів з розділовою обмазкою складу , є окислювальною для хромових і хромонікелевих сталей. Діоксид і оксид вуглецю вільно проникають через пористе нікелеве покриття і взаємодіють з легуючими елементами неіржавіючої сталі, утворюючи на поверхні і по межах зерен оксиди цих елементів (рис. 2).

Атмосфера, що утворюється при нагріванні пакетів з розділовою обмазкою складу , не є окислювальною. Кисень повітря зв'язується вуглецем сталі основного шару і нікелем захисного покриття, що має велику контактну поверхню за рахунок пористості. Тому для підвищення якості з'єднання шарів двошарової сталі була рекомендована розділова обмазка складу MgSO4 – MgO.

Одним з шляхів підвищення якості з'єднання шарів є вживання пірофорів, що закладаються в пакет, які при нагріві реагують з компонентами повітря, запобігаючи утворенню оксидів на контактних поверхнях. Запропонована і випробувана в промислових умовах розділова обмазка, склад якої забезпечує одночасно якісне розділення шарів і зниження рівня окислення контактних поверхонь при нагріванні пакету. Розділова обмазка містить алюмінієвий порошок, а як зв'язуюче застосовується бітумний лак (А.с. №1504042).

Рис.2 – Поверхня пластини шару, що плакує (а), і мікроструктура (б) після нагрівання в методичній печі (розділова обмазка )

Двошарові листи, одержані в результаті промислової прокатки партії пакетів поєднання 09Г2С-10Х17Н13М2Т по суцільності з'єднання шарів листи відповідали нульовому (30%) і першому класу (70 %); міцність з'єднання шарів при випробуванні на зріз складає 364 – 405 МПа, що знаходиться на рівні параметрів, одержаних при вживанні комбінованого підшару.

Наявність обов'язкових зазорів між герметизуючою рамкою і пластинами плакуючого шару в пакеті за відсутності фіксації пластин плакуючого шару приводить до перекосу пластин в пакеті при його транспортуванні і до збільшення величини обрізі на 8-11 %, у зв'язку з чим обов'язковою є фіксація положення пластин. Упроваджений метод фіксації, що полягає у вживанні вставок, розташованих між пластинами плакуючого шару і верхнім слябом основного шару, які після укладання верхнього сляба і стиснення пресом пакету запобігають зсуву пластин при транспортуванні (А.С. №1450944).

Статистичний аналіз геометричних розмірів двошарових листів показав, що значна кількість листів ( до 75%) не відповідає вимогам фабрикації. Причиною такої невідповідності є вживанні складних схем, пов'язаних з отриманням необхідної ширини, а також співвідношення деформації основного, що змінюється, і плакуючого шару, особливо на першій стадії прокатки, яке приводить до непостійності кінцевої довжини плакуючого шару в процесі розбиття ширини при постійній ширині основного шару, на який орієнтується оператор.

З метою зниження кількості листів, розміри яких не відповідають фабрикації, запропонована і випробувана в промислових умовах поперечна схема прокатки і конструкція пакету з новою схемою збірки герметизуючої планки, яка виключає помилки оператора при розбитті ширини і забезпечує стабільну ширину плакуючого шару, що дало можливість одержувати листи відповідно до вимог фабрикації та понизити величину обрізі. Бічна обрізь при вирізанні двошарових листів з розкатів склала 350 мм; при виробництві двошарових листів за існуючою технологією (ТІ 229-Мц-354-89) величина обрізі складає 500 мм. Додаткова витрата металу за рахунок браку при прокатці і отриманні немірних листів понижена на 1,2%.

При отриманні пластин плакуючого шару має місце значний об'єм некондиційних листів, розміри яких по довжині менше, ніж ті, що вимагаються таблицею типорозмірів пакетів (12%). Тому використовування їх для виробництва двошарових листів дозволяє значно скоротити витрату неіржавіючої сталі. Для цього в пакет можна закладати заготовки секцій металу плакуючого шару встик, при цьому довжина заготовок повинна бути вибрана з урахуванням отримання розмірів двошарових листів, відповідних вимогам Держстандарту (Пат. № 830). Використання цієї конструкції пакетів дозволило понизити витрату металу плакуючого шару на 42%.

За існуючою технологією для виробництва листів товщиною 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 і 24 мм застосовуються п'ять типорозмірів пакетів, в які закладаються пластини плакуючого шару завтовшки 38, 32, 28, 22 і 19 мм.. На підставі теоретичного розрахунку деформації шарів пакету розроблені конструкції уніфікованих пакетів для виробництва двошарових листів з плакуючим шаром із сталі Х18Н10Т, що дозволяють одержувати листи завтовшки 8, 10 і 12 мм з двох типорозмірів пакетів і розширює можливості виконання замовлень на двошаровий лист, та зменшити простої стану унаслідок відсутності металу.

Режими обтискань, формозмінення шарів біметалу при прокатці пакетів

Одним з параметрів двошарових листів, що визначає експлуатаційні властивості і витрати металу плакуючого металу, є співвідношення товщини основного і плакуючого шарів, що вимагає прогнозування формозмінення компонентів пакету при прокатці.

Чисельне математичне моделювання процесу прокатки відносно товстої біметалевої композиції здійснювали за допомогою методу верхньої оцінки шляхом побудови і подальшого аналізу кінематично можливих полів швидкостей.

При побудові кінематично можливих розривних полів характеристик у фізичній площині враховано, що, чим повніше поле ліній розриву зберігає особливості та розміри поля ліній ковзання, тим вище точність методу верхньої оцінки. Слід зазначити, що характеристики на межі розділу мають злам, величина якого визначається відомим співвідношенням

(2)

де - межа текучості при зсуві металу основного і плакуючого шарів; - кут нахилу характеристики основного і плакуючого шарів.

Величина зламу характеристик тим більше, чим більше різниця механічних властивостей компонентів композиції; напрям зламу залежить також від співвідношення механічних властивостей основного і плакуючого шару (рис. 3). Урахування величини зламу лінії розриву під час переходу через межу розділу відповідно до співвідношення (1) дозволяє значно уточнити результати розрахунку (рис. 4).

Рс.3 – Кінематично можливі поля характеристик у фізичній площині (а) і в площині годографа швидкостей (б)

На підставі розробленої математичної моделі одержані графічні залежності, що дозволяють визначити співвідношення товщин пакету після прокатка (рис. 5). Установлено, що для кожного співвідношення товщини плакуючого шару до товщини пакету при фіксованій температурі початку прокатки має місце критичне значення параметра форми , нижче за яке прокатка відбувається з обтисканням тільки основного шару, що приводить до збільшення величини обрізі. Для найпоширенішого поєднання Ст.3 –Х18Н10Т результати розрахунку добре апроксимуються лінійною залежністю ().

(3),

де і - товщина пластини плакуючого шару і товщина пакету.

Рис. 4– Залежність відносної деформації шару, що плакує, від величини фактора форми при прокатці пакета сполучення Ст.. 3сп+12Х18Н10Т з відносною товщиною плакуючого шару у пакеті 0,275 при температурі 12000С (1-й варіант – з урахуванням зламу, 2-й варіант – без урахування)

Оцінена раціональність конструкцій пакетів, що вживаються в промисловості. Для пакетів, які вживаються при прокатці листів завтовшки 18-24 мм зменшення товщини слябів основного шару до 90 мм, замість 100 мм, дозволяє значно зменшити область виборчої деформації компонентів пакету і понизити не тільки витрату металу, але і енерговитрати на його прокатку у зв'язку із зменшенням кількості проходів і на нагрівання в методичній печі. З метою експериментальної перевірки результатів теоретичної моделі формозмінення шарів пакету проведені експериментальні дослідження, в яких, як варійовані, були вибрані наступні параметри:

відношення товщини плакуючого шару до товщини пакету і величина чинника форми . При цьому досліди проводилися для умов першого проходу при температурі 1200оС.

Рис 5– Залежність відносної деформації шару, що плакує, від його відносної товщині в пакеті при температурі 12000С і значеннях фактора форми : 1-0,397; 2-0,464; 3- 0,526; 4- 0,58; 5- 0,633; 6- 0,683 (сполучення СТ3 сп+12Х18Н10Т)

Обробка результатів експерименту, здійснена за допомогою прикладного пакету програм “Statistica”, дозволила одержати залежність відносної деформації плакуючого шару від вищеназваних параметрів:

(4)

Встановлено, що результати розрахунків по теоретичній і експериментальним моделям в дослідженому діапазоні (=0,24 - 0,30 і = 0,49 - 0,71) достатньо добре співпадають, що дає підставу стверджувати про достовірність теоретичної моделі і можливості її використовування в ширшому діапазоні температур, відносної товщини плакуючого шару і чинника форми.

Для дослідження енергосилових параметрів прокатки і формозмінення біметалевих композицій як метод математичного моделювання був прийнятий метод кінцевих елементів в його програмній інтерпретації в пакеті Abaqus . Постановка і рішення задачі моделювання розбивалися на два кроки. Першим кроком в даному випадку є затискання листа робочими валками прокатного стану. Наступний крок полягає в обертанні робочих валків і реалізації безпосередньо процесу прокатки. При аналізі робочі валки моделювалися як абсолютно жорсткі аналітичні поверхні, лист моделювався твердотільними чотирьохвузловими елементами з плоскою деформацією і з редукованою схемою інтегрування. Проведено моделювання процесів прокатки пакетів, які в початковому стані мають геометричну і температурну симетрію (Hо= 100 +100 мм, Нпл = 31+31 мм, =20 оС), і пакетів, що мають початкову геометричну і температурну асиметрію (Hо=110+100 мм, Нпл =31+31 мм, =20 оС). На рис. 6 показані результати моделювання формозмінення компонентів пакету, а саме розрахункові величини різниць товщини верхнього і нижнього листів, які показали хорошу збіжність з результатами промислових експериментів.

Рис. 6– Зміна різниці товщини верхнього і нижнього листів при прокатці пакетів

Як локальні характеристики представлені розподіл еквівалентних напружень за Мізесом, а також інформація про форму переднього кінця, а як інтегральні характеристики – розподілення приведених до одиниці ширини значень сили і моменту прокатки (рис. 7, 8). Дослідження показують, що величина моменту