Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова

Національна академія наук України

Мельник Сергій Миколайович

УДК 621.771.073.8

РОЗВИТОК МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ КАЛІБРУВАНЬ ВАЛКІВ ДЛЯ ПРОКАТКИ ВЕЛИКИХ ШПУНТОВИХ ПРОФІЛІВ

Спеціальність 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, кафедра обробки металів тиском.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент

Єршов Сергій Володимирович,

доцент кафедри обробки металів тиском

Дніпродзержинського державного технічного університету

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор

Жучков Сергій Михайлович,

зав. відділом фізико-технічних проблем процесів прокатки сортового та спеціального прокату, заступник директора Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ

Кандидат технічних наук, доцент

Смирнов Євген Миколайович,

доцент кафедри обробки металів тиском,

Донецького національного університету, м. Донецьк

Захист відбудеться ”21” вересня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 Інституту чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України.

Автореферат розісланий ”_10 ” серпня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.В. Левченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Шпунтові палі типу ”Ларсен” широко застосовуються для формування стінок, що екранують, при будівництві гідротехнічних споруджень, тунелів, шахт, огородженні котлованів, мостобудуванні. При з’єднанні профілів між собою утвориться хвиляста стінка, з високим моментом інерції. Відстань між замками (база) профілю визначає кількість окремих шпунтових паль, необхідну для створення одного погонного метра шпунтової стінки. Нині замість профілів з базою 400 ч 425 мм, що виготовляються в Україні, іноземними виробниками розроблені й випускаються профілі з базою 500 -600 мм, які користуються більшим попитом у сучасних споживачів. Закордонні виробники не поширюють інформацію про технології виробництва шпунтових паль типу ”Ларсен” нової конструкції. В Україні немає технології для виробництва нових профілів.

При ідентичності форми шпунтові палі, які випускають в Україні, і палі нової конструкції дуже відрізняються співвідношенням розмірів окремих елементів профілю.

Актуальність роботи полягає в тому, що її результати дозволять одержати нові дані з формозміни та методики конструювання калібрів, на підставі яких будуть розроблені калібровки валків для виробництва великих шпунтових профілів сучасних конструкцій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами. Дисертаційна робота виконана відповідно до основних тематичних планів наукових досліджень, а також розробки теоретичних і експериментальних основ калібровок прокатних валків кафедри обробки металів тиском Дніпродзержинського державного технічного університету і відповідно з планом держбюджетної науково–дослідної роботи ”Дослідження й розробка оптимальних схем прокатки і калібровки для профілів особливо складної форми” (№ держреєстрації 0103U003453).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вивчення формозміни металу залежно від геометричних розмірів заготовки, робочого інструменту та розробка, на підставі одержаних результатів, нового методу розрахунку калібровок валків для прокатки великих шпунтових паль П-подібної форми нової конструкції. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. На підставі аналізу сортаменту шпунтових паль світових виробників розробити профіль шпунтової палі сучасної конструкції.

2. Визначити вплив форми і розмірів початкової заготовки, конструкції формуючих калібрів на якість замкових елементів при прокатці шпунтових паль П-подібної форми. Розробити методику вибору форми і розмірів початкової заготовки для виробництва великих профілів сучасної конструкції.

3. Оцінити фактори, що впливають на формування замкових елементів, і розробити новий спосіб формування замкових елементів шпунтових паль П-подібної форми, який забезпечує поліпшення якості виконання їхньої форми.

4. Розробити рекомендації і методику розрахунку калібровки валків для прокатки великих шпунтових профілів.

Об’єкт дослідження – процес гарячої прокатки великих П-подібних профілів складної конфігурації.

Предмет дослідження – формозміна металу в калібрах складної конфігурації, а також в замкових елементах при прокатці шпунтових паль П_подібної форми нової конструкції.

Методи дослідження – аналітичне й експериментальне дослідження процесу прокатки П-подібних шпунтових паль великих розмірів. Експериментальні дослідження виконані в умовах рейкобалкового цеху ВАТ ”ДМКД”.

Наукова новизна.

1. Одержано нові залежності, які описують формозміну металу в калібрах, призначених для прокатки великих П-подібних профілів з замковими елементами на кінцях полиць.

Нові залежності дозволяють з достатньою точністю прогнозувати формозміну металу в калібрах при прокатці профілю нової конструкції, враховувати вплив кута нахилу полиць в формуючих і чорнових калібрах, висоту та форму ріжучої поверхні гребеня нижнього валка.

2. Отримано нові залежності формозміни металу в області замкових елементів при використанні різних підходів до конструювання калібрів.

Нові залежності враховують вплив таких факторів як: форма заготовки; режим деформації металу в формуючих і чорнових калібрах. Визначено взаємозв’язок між початковою формою заготовки і кінцевою формою замкових елементів на готовому профілі шпунтової палі. Використання нових залежностей дозволить підвищити ефективність нових калібровок валків для прокатки профілів аналогічних розмірів, збільшити стабільність геометричних розмірів шпунтових паль.

3. Обґрунтовано і розроблено нову методику вибору форми і розмірів початкової заготовки для прокатки П-подібних шпунтових паль.

Відомі залежності з визначення розмірів початкової заготовки для прокатки П-подібних профілів не враховували особливості деформації, властиві прокатці шпунтових паль. Розроблена методика вибору форми і розмірів початкової заготовки дозволяє збільшити стабільність і технологічну ефективність виробництва шпунтових паль.

4. Розроблено нову методику розрахунку калібровок валків для прокатки сучасних шпунтових паль типу ”Ларсен”.

Дотепер розрахунок калібровок валків базувався тільки на підставі досвіду розроблювача калібровки, тому що метод розрахунку калібровок був відсутній. Нова методика дозволяє проводити розрахунок калібровки валків, ґрунтуючись на нових даних з формозміни металу в калібрах складної форми.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень використані при розробці технології прокатки профілю шпунтової палі, сучасної конструкції і можуть бути застосовані при вдосконаленні існуючих технологічних процесів. Запропонована методика розрахунку калібровки валків може бути використана як для практичного застосування професійними калібрувальниками, так і в навчальному процесі при підготовці фахівців прокатного виробництва.

Результати досліджень використані на ВАТ ”Дніпровський металургійний комбінат ім. Дзержинського” (ВАТ ”ДМКД”). В умовах промислового рейкобалкового стану комбінату прокатано новий профіль шпунтової палі з базою 500 мм.

Особистий внесок здобувача. Аналітичні та експериментальні дослідження, викладені в дисертаційній роботі і публікаціях, виконані автором самостійно під керівництвом наукового керівника і при консультативній допомозі інших співавторів опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися:

- на міжнародній науково-технічній конференції ”Нові методи і засоби дослідження процесів і машин обробки тиском”, 24 - 26 квітня 2005 р., м. Краматорськ;

- на міжнародній науково-технічній конференції ”Сучасні методи моделювання процесів обробки матеріалів тиском”, 25 - 28 квітня 2006 р., м. Краматорськ;

- на наукових семінарах кафедри обробки металів тиском Дніпродзержинського державного технічного університету та Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України.

Публікації. Основні положення дисертації викладені у 8 статтях, 4 з яких опубліковані в наукових журналах і збірниках наукових праць, які рекомендовані ВАК України для опублікування результатів дисертаційних робіт.

Структура і обсяг роботи. Робота складається із вступу, шести розділів, основних висновків, списку використаних джерел і додатків загальним обсягом 231 стор., з них 140 ілюстрацій на 66 сторінках, 15 таблиць на 9 сторінках, 3 додатки на 4 сторінках і список використаних джерел з 71 найменування на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та завдання дослідження, визначені об’єкт і предмет дослідження, обрані методи дослідження, сформульовано наукову новизну, а також викладено практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналітичний огляд технічної літератури, патентної документації й обрано напрямки досліджень.

Виконано порівняння конструкцій профілів шпунтових паль, що виготовляються в Україні, із профілями сучасних світових виробників. Встановлено, що металоємність конструкцій створених на основі сучасних профілів шпунтових паль на 10 ч 15 % менше, ніж при використанні аналогічних профілів сортаменту українських виробників. Зниження металоємності конструкцій досягається за рахунок збільшення габаритних розмірів профілів, при збереженні основних технічних характеристик. Сучасні профілі шпунтових паль, у порівнянні із профілями які випускають в Україні, відрізняються наступними параметрами: вони ширші на 20 ч 50 , їх висота більша на 8 ч 12 %, кут нахилу полиць збільшений з 8? до 15 ?ч30 ?.

Проаналізовано відомі способи прокатки шпунтових паль та інших складних фасонних профілів П-подібної форми. Розвитку методів розрахунку калібрувань валків для прокатки профілів П- подібної форми присвячені роботи багатьох видатних учених і калібрувальників–практиків: О.П. Виноградова, О.П. Чекмарьова, Б.П. Бахтинова, Б.М. Ілюковича, М.М. Штернова, І.В. Литовченка, І.Я. Тарновського, В.Є. Стефанова, І.І. Кучко, Б.В. Мєрєкіна, В.Т. Жадана, Д.І. Старченка, О.А. Нефедова, Б.М. Шума та багатьох інших.

Показано, що при розробці технології виробництва профілів П-подібної форми використовуються різні схеми прокатки з різною кількістю фасонних калібрів. Узагальнені рекомендації з вибору форми та розмірів початкової заготовки відсутні. Для кожного конкретного випадку не викладені всі фактори, які вплинули на вибір технічного рішення. Конструкція калібрів (форма та розміри) перших формуючих калібрів у кожному випадку нова і може значно відрізнятися від конструкції аналогічних калібрів, розроблених для певного профілю іншим автором. Основні теоретичні розробки спрямовані на дослідження формозміни металу при прокатці балкових і швелерних профілів з відносно невеликою площею поперечного перетину. Вплив різних факторів на формозміну металу при прокатці великих профілів складної форми поперечного перетину досліджено для обмеженого сортаменту.

Особливістю виробництва шпунтових паль типу ”Ларсен”, у порівнянні з іншими фасонними П-подібними профілями, є необхідність формування замкових елементів на готовому профілі. На підставі рекомендацій авторів робіт профілі аналогічної конструкції прокатують із використанням різної кількості калібрів як із прямою, так і з вигнутою стінкою. Конструктивно перші розрізні калібри виконані по різному, а отже різні: ступінь защемлення заготовки в калібрі; форма гребеня; ухил полиць; послідовність деформації елементів профілю; форма та розміри початкової заготовки; ступінь деформації по стінці.

Результати аналізу публікацій, присвячених прокатці шпунтових паль П-подібної форми, стали основою для визначення мети і завдань цієї дисертаційної роботи.

У другому розділі приведено результати дослідження технології прокатки шпунтових паль у рейкобалковому цеху ВАТ ”ДМКД”, шляхом аналізу формозміни металу в калібрах. Досліджена схема прокатки шпунтових паль типу ”Ларсен” включає деформацію прямокутної заготовки правильної форми з Н0 > В0 у десятьох фасонних калібрах (рис. 1).

За даною схемою прокатуються три профілерозміри шпунтових паль Л-4, Л-5, Л-7. Кут нахилу полиць у першому формуючому калібрі становить 4? ч ?. Для заповнення металом першого формуючого калібру ширина початкової заготовки регламентована, відхилення на розмір по ширині заготовки становить ± 3 мм. Защемлення z металу в калібрах (z = (bз-bк) / (bр-bк), де bз – ширина заготовки; bk – ширина калібру по вершинах фланців без закруглень; bp – ширина калібру в роз’ємі валків по точках сполучення радіусів заокруглення з бічними гранями) розподілено в такий спосіб: перший калібр z = 0,595; другий й інші чорнові калібри, z від (- 0,05) до 0,175 (ширина підкату по стінці менша ширини по дну верхнього струмка наступного калібру на 2 ч 7 мм); у трьох останніх по ходу прокатки калібрах защемлення металу по стінці становить z = 0 ч 0,007.

Досліджено вплив форми гребеня нижнього рівчака калібру, на заповнення формуючого калібру в зоні замкових елементів. Різальна кромка гребеня нижнього рівчака калібру була виконана у вигляді двох форм з прямолінійними ділянками різної ширини та з шириною кромки рівною ширині гребеня. При використанні першої форми гребеня стабільність захвату заготовки задовільна, дефекти на готовому прокаті відсутні. При використанні другої форми ріжучої кромки захват заготовки валками постійно стабільний, але збільшується розширення металу. Це дозволяє у калібрі з кутом нахилу полиць 4? ч 6? починати деформацію заготовки не на відстані 5 мм від роз’єму верхнього рівчака калібру, а на відстані 45 мм. В результаті цього поліпшується стійкість процесу деформації, дефекти не утворюються.

Зроблено висновок, що при розробці конструкції першого формуючого калібру для прокатки профілів шпунтових паль ширина різальної кромки гребеня нижнього валка повинна становити 0,5 ч 1 ширини гребеня по верхній поверхні.

У досліджених методах калібровки валків шпунтових паль кут нахилу полиць у всіх калібрах різний. Конструкція калібрів у всіх калібровках передбачає збільшення кута нахилу полиць від 4? ч6?, у формуючих калібрах до 6? ч 12?, у чистових калібрах без упорядкованої системи вибору значень. Це приводить до відсутності одночасного самоцентрування розкату у верхньому й нижньому рівчаках калібру. Розкат в процесі деформації має можливість повертатися відносно поздовжньої осі, це приводить до перекручування форми замкових елементів. У результаті навіть при симетричному заповненні замкових частин першого формуючого калібру, при деформації підкату в наступних калібрах, відбувається перехід металу із замкових елементів у полицю і, як наслідок, не виконання розрахункової форми замкового елементу на готовому профілі. Незаповнення металом першого калібру неможливо компенсувати наступною деформацією даної ділянки розкату в калібрах, що залишилися. Це приводить до невиконання розмірів профілю по замкових елементах.

Встановлено, що для забезпечення виконання необхідної форми замкових елементів на готовому профілі необхідно використовувати однаковий ухил полиць у всіх калібрах.

Відомо, що заповнення металом формуючого калібру залежить від форми і розмірів початкової заготовки. При дослідженні впливу початкової заготовки і на заповнення металом формуючого калібру були використані наступні види заготовок: правильної прямокутної форми різної ширини (різний ступінь защемлення в калібрі); прямокутної форми з увігнутими бічними гранями (подвійне бочкоутворення); ромбічної форми. При деформації заготовки правильної прямокутної форми, із защемленням металу в калібрі z ? 0,78, або заготовки з ромбічністю більше 3?, на виході з осередку деформації розкат скручується навколо поздовжньої осі. У результаті цього у кожному перетині підкату форма лівої і правої замкових частин значно відрізняється одна від одної.

Встановлено, що при деформації заготовки із защемленням металу в калібрі z ? 0,6, або заготовки з увігнутими бічними поверхнями (подвійне бочкоутворення) зі стрілою прогину більше 0,015 Н0, калібр металом по замкових елементах не заповнюється. У результаті проведених досліджень встановлено, що для заповнення замкових елементів першого формуючого калібру з кутом нахилу полиць 4? ч 6? початкова заготовка повинна мати рівні бічні стінки, правильну прямокутну форму й має виконуватися умова 0,6 ? z ? 0,78.

На підставі аналізу методів розрахунку калібровок валків зроблено висновок про те, що для прокатки шпунтових паль типу ”Ларсен” теоретично можливо використати три типи форми початкової заготовки (рис. 2).

Показано, що для прокатки шпунтових паль нової конструкції з базою 500 мм і більше необхідно використати заготовки з фасонною формою поперечного перетину (рис. 2, в). При вдосконаленні калібровок валків, призначених для прокатки шпунтових паль із базою 420 ч 500 мм, раціонально використати заготовки з багатогранною формою поперечного перетину (рис. 2, б). Для створення умов самоцентрування заготовки у верхньому рівчаку калібру, ухил граней на заготовках 1 з багатогранною і фасонною формою поперечного перетину, має відповідати куту нахилу полиць першого формуючого калібру .

У третьому розділі викладені матеріали дослідження формозміни металу при деформації початкової заготовки в першому формуючому калібрі, призначеному для прокатки шпунтових паль нової конструкції.

На першому етапі досліджень для розрахунку розмірів початкової заготовки застосовувалися відомі залежності М.С. Мутьєва та О.П. Чекмарьова (1 й 2), які найчастіше рекомендуються для визначення розмірів початкової заготовки.

(1) (2),

де Н0 – висота заготовки;

Нр – висота розрізного калібру;

В0 – ширина заготовки;

Qр – площа перетину розрізного калібру.

Порівняння розрахункових та експериментальних даних для умов деформації металу у формуючому калібрі при прокатці шпунтових паль нової конструкції показали, що розміри початкової заготовки, отримані за відомими залежностями (1) і (2), менші розмірів, які необхідні для заповнення калібру в зоні замкових елементів.

Фактично, використання заготовки, розрахованої за даними залежностями, не дозволило заповнити зону замкових елементів у жодній з досліджуваних конструкцій першого формуючого калібру рис. 3.

При проведенні дослідження на одному розкаті формували декілька осередків деформації з наступним вимірюванням розмірів перетинів і аналізом одержаних результатів. Досліджувалося кілька конструкцій калібрів, у кожному калібрі деформували початкову заготовку із защемленням металу у верхньому струмку 0,26? ?0,7. Досліджувалася формозміна металу при деформації прямокутної заготовки з розмірами Н0 х В0 від 310 х 360 мм до 375 х 435 мм, ld / hср. = 0,613 ч 0,778, B0 / ld = 1,27 ч 1,563, Вг =(0,5 ч 0,6) Вк.

Визначено залежність заповнення формуючого калібру від його форми (рис. 4, рис. 5, рис. 7). При використанні прямокутної заготовки максимальне заповнення металом калібру першої конструкції склало 90 %, не заповнилися полиці по висоті та замкові елементи. Калібр останньої конструкції заповнився на 97 %, полиці по висоті заповнилися, замкові елементи заповнилися не повністю. На підставі результатів досліджень визначено, що при деформації прямокутної заготовки у формуючому калібрі, у якого Вг =(0,5 ч 0,6) Вк (рис. 3), повне заповнення по ширині одержати неможливо.

Встановлено, що при величині защемлення заготовки у верхньому рівчаку калібру z ? 0,43, втрачається стійкість процесу деформації і відбувається значне скручування розкату уздовж осі прокатки (рис. 6) При цьому калібр в області замкових елементів заповнюється несиметрично, що приводить до невиконання замкових елементів на готовому профілі.

Вплив дрібності деформації на заповнення калібру в області замкових елементів досліджували з розділенням на 4 ч 6 проходів з сумарним обтисненням по стінці штаби в 210 ч 240 мм. Встановлено, що така дрібність деформації збільшує висоту полиць на розкаті (рис. 8).

Аналіз заповнення металом калібру, з шириною гребеня Вг,5ч0,6) Вк, показав, що висота полиць на штабі може досягати не більше 60 % підсумкового обтиснення по стінці.

На підставі результатів досліджень розроблено нову методику вибору розмірів початкової заготовки. Для визначення мінімального розміру висоти початкової прямокутної заготовки Н0 :

, (3)

де Н0– загальна висота калібру;

hгр.- висота гребеня нижнього рівчака.

Розміри заготовки по ширині В0 повинні забезпечити як вимоги защемлення z0, так і заповнення калібру в області замкових елементів:

(4)

де bд? ширина калібру по дну верхнього рівчака ;

Вк – загальна ширина калібру.

Якщо для калібру ширина прямокутної заготовки не відповідає зазначеним вимогам – необхідно застосовувати заготовку фасонної форми (рис. ,в) або багатокутної форми (рис. 2,б). Висота похилої ділянки для багатокутної заготовки не повинна перевищувати 50% загальної висоти заготовки. Для фасонної заготовки висота похилої ділянки може дорівнювати глибині верхнього рівчака калібру.

На підставі результатів досліджень визначено вплив відносного обтиснення по стінці на висоту виконання полиць (рис. 4) На підставі наведеного графіка (рис. 4) видно, що зі збільшенням відносного обтиснення стінки збільшується висота полиць штаби. Величина защемлення ? 0,2 практично не впливає на висоту полиць штаби.

Отримано залежність висоти заповнення полиць у формуючому калібрі залежно від подовження в калібрі hпол. / hгр. = 3.53 – 2.51м і від форми калібру hпол. /hгр.= 0,654Fзаг./Fкал.

Рис. 4. Залежність відношення висоти полиць до висоти початкової заготовки (К) від відносного обтиснення стінки (), при різних показниках ступеня защемлення (z)

З графіку (рис. 9) можна зробити висновок, що при прокатці нового профілю струмове навантаження на головний привід у першому пропуску збільшилася на 19,3 %, в інших на 9 ч 20 %. Розподіл навантажень по проходах більш рівномірний.

Рис. 9. Розподіл струмового навантаження двигуна 1Ї кліті залежно від номера проходу

У четвертому розділі викладені матеріали дослідження формозміни металу при деформуванні в чорнових калібрах, призначених для прокатки шпунтових паль нової конструкції. При дослідженні використана приведена на рис.10 схема прокатки.

Досліджувався вплив різних підходів у конструюванні чорнових калібрів на формування замкових елементів і поводження розкату на виході з осередку деформації. Конструктивно всі варіанти першого, другого й третього калібрів взаємозалежні. При зміні конструкції одного калібру змінювалась конструкція інших калібрів, для забезпечення рівності подовження по елементах профілю в кожному калібрі, починаючи із другого формуючого.

У якості досліджуваних були прийняті дві схеми деформації. Перша схема передбачала виконання сумарного обтиснення за 4 ч 6 пропусків з підйомом верхнього валка (другий калібр). Друга схема передбачала обтиснення за один прохід (калібри № 3 ч 9).

Встановлено, що основне обтиснення по товщині полиць і стінки необхідно виконати в перших трьох калібрах по ходу прокатки. Усунення нерівномірності деформації по елементах профілю в наступних калібрах приведе до нестійкого процесу деформації і несиметричному заповненню замкових частин калібрів.

Встановлено, що в калібрах № 3 ч 9 перевищення коефіцієнта витяжки по кінцях полиць над коефіцієнтом витяжки по стінці розкату, приводить до непрямолінійного виходу штаби з осередку деформації.

Дослідження впливу защемлення металу в калібрах проводили за наступних умов. Для калібру з декількома обтисненнями (другий калібр) защемлення склало 0,0128 ч 0,288, для калібру з одним обтисненням (третій калібр) від z = 0,0558 до вільного входу розкату в калібр (значення z _,0287 ). Встановлено, що для стійкого процесу деформації металу має виконуватися наступна умова: для калібрів з декількома обтисненнями 0,08 ,2; для чорнових калібрів з одним обтисненням 0,0328 ,0492.

Встановлено, що використання хибних фланців у конструкції перших, по ходу прокатки, чорнових калібрів, необхідне тільки для створення додаткової витяжки по стінці підкату.

Визначено вплив витяжки в другому калібрі на заповнення замкових елементів (рис. 11). На підставі результатів, одержаних при проведенні досліджень, встановлено наступну залежність Fзап. зам.2/2к.= ,001 ч 0,6202. Встановлено вплив послідовності деформації елементів профілю на виконання форми замкової частини калібру.

Показано, що при деформації розкату в послідовних калібрах, конструкція яких передбачає зміну кута нахилу полиць більше ніж на 2 є, було відсутнє самоцентрування штаби, замкові частини калібрів заповнювалися металом нерівномірно і несиметрично. Встановлено, що якщо в процесі формозміни металу відсутнє самоцентрування штаби в осередку і деформації будь-якого калібру, то замкові елементи на готовому профілі виконуються з нестабільною та несиметричною формою поперечного перетину по довжині штаби. На рис. 12 представлені дві схеми деформації підкату різної форми поперечного перетину в третьому калібрі, при однаковому обтисненні стінки. Встановлено, що в першому варіанті (рис. 12, а) розкат має можливість зайняти положення в калібрі, при якому в процесі деформації один замковий елемент буде значно більше іншого. Така схема обтиснення приводить до першочергової деформації замкових частин розкату і зсуву їх уздовж полиці, зі збільшенням висоти полиці. Далі відбувається обтиснення полиці по висоті і розширення штаби в зоні замкових елементів. У результаті такої схеми деформації збільшується загальне подовження в калібрі. У другому варіанті рис. 12, б, розкат фіксується верхнім рівчаком і гребенем нижнього рівчака. Відбувається одночасна деформація замкових елементів і полиць по товщині. Верхній рівчак упроваджується в замкові частини підкату і починається формування замкових елементів. Така схема деформації забезпечує рівномірне заповнення замкових елементів калібрів і дозволяє збільшувати висоту полиць штаби в 1,08 ч 1,12 рази.

В п’ятому розділі викладені матеріали по дослідженню методів розрахунку замкових елементів при прокатці профілів шпунтових паль типу ”Ларсен”. Замкові елементи визначають якість з’єднання шпунтових паль, а також мають забезпечувати взаємний поворот паль на 10? (рис. 13). Основною причиною відбракування шпунтових паль є невідповідність розмірів замкових елементів вимогам нормативної документації. До основних дефектів замкових елементів відносяться: збільшений зів (С) замкового елементу; невиконаний або мінімальний зовнішній радіус (R); невиконання замкового елемента по висоті. При виконанні замкових елементів з більшим значенням радіусу R не забезпечується міцність замкового з’єднання. При малих значеннях радіусу R замкове з’єднання має малий ступінь свободи. Це ускладнює і здорожує операцію з’єднання шпунтових паль, не забезпечується взаємний поворот паль на 10?. Досліджували конструкцію замкових ділянок калібрів при прокатці трьох профілерозмірів шпунтових паль виробництва ВАТ ”ДМКД”. Встановлено, що в усіх трьох калібровках валків застосовуються різні підходи до розрахунку замкових елементів. Тому замкові елементи на кожному профілі мають свої особливості форми (рис. 14).

Рис. 14. Розрахункова й фактична форми замкового елементу в готовому профілі шпунтової палі:

а - розрахункова форма замкового елементу;

б - фактична форма замкового елементу (обведені темплети).

Встановлено несиметричність форми лівого й правого замкових елементів при прокатці трьох профілерозмірів шпунтових паль.

Встановлено вплив схеми деформації в останніх трьох калібрах (рис. ) на оформлення замкових елементів у готовому профілі. Досліджено схему, в якій надання остаточної форми замковим елементам здійснюється в одному чистовому калібрі. Використовується метод вільного гнуття, реалізація якого не передбачає додаткових пристроїв і пристосувань. Це спрощує настроювання та обслуговування стану, виключається невиконання замкової частини профілю через незадовільну роботу або настроювання додаткових пристроїв, знижується вплив людського фактору на формування ідентичних і стабільних розмірів замкових елементів.

Визначено, що форма й ступінь заповнення третього проти ходу прокатки калібру впливає на формування замкових елементів у готовому профілі. Симетричне заповнення замкової частини третього калібру (рис. 15) залежить від настроювання стану, тобто співвідношення фактичних коефіцієнтів витяжок по елементах профілю. Зсув валків в осьовому напрямку ?це другий фактор, який впливає на виготовлення замкових елементів однакової форми і розмірів. Повністю усунути його, на більшості використовуваних у цей час прокатних клітях, неможливо. У результаті впливу розглянутих факторів постійно змінюються як умови заходу штаби в замкову частину передчистового калібру, так і ступінь деформації в ньому. Для забезпечення розрахункової форми замкових елементів на готовому прокаті необхідно забезпечити стабільні умови деформації в передчистовому контрольному калібрі.

В результаті проведених досліджень встановлено, що існуюча схема деформації підкату в останніх трьох калібрах не забезпечує розрахункове положення лівого і правого замкових елементів щодо вертикальної осі симетрії профілю (рис. 16).

Коли замкова частина розкату не збігається із замковою частиною верхнього рівчака передчистового калібру, утворяться різні дефекти на готовому профілі. Розроблено нову схему деформації в останніх трьох калібрах (рис.17). Це дозволить одержати точне сполучення форми штаби з формою контрольного калібру і виключити деформацію замкових елементів поза робочою частиною калібру. Розроблено критерій для розрахунку геометрич-них розмірів замкових елементів, який виключає деформацію металу за межами контрольного калібру.

Проведено дослідження впливу ступеня заповнення перших по ходу прокатки калібрів на форму замкового елемента в готовому профілі. На підставі результатів дослідження визначені умови деформації замкових елементів, при яких гарантовано одержання замкових елементів на готовому профілі у відповідності зі стандартом.

У шостому розділі представлено нову методику розрахунку калібровки валків для прокатки шпунтових паль сучасної конструкції. Методика розроблена на підставі результатів досліджень. Запропонована методика розрахунку калібровки валків для прокатки великих шпунтових паль типу ”Ларсен” дозволяє реалізувати процес прокатки в найбільш стійкому режимі. Застосування даної методики дозволяє з мінімальними втратами металу й робочого часу освоювати технологію виробництва профілів з базою, близькою до досліджуваної, гарантовано виробляти профілі високої якості. Вона може бути використана також для базових розрахунків при розробці технології виробництва профілів з базою 600 мм і більше.

Для досягнення максимальної стійкості процесу прокатки і забезпечення високої якості готової продукції в новій методиці реалізовані наступні положення. 1. Форма перетину початкової заготовки фасонна або багатокутна. 2. Самоцентрування розкату в усіх калібрах, починаючи з першого формуючого. 3. Рівність витяжок по елементах профілю в усіх калібрах, крім першого формуючого. 4. Формування замкових елементів, починаючи з першого калібру. 5. Створення в перших двох-трьох калібрах запасу металу, необхідного для одержання розрахункової форми замкових елементів на готовому профілі. 6. Застосування схеми формування замкових елементів в останніх трьох калібрах із закритою замковою частиною в калібрі, перед контрольним калібром (рис. 17).

Розрахунки за новою методикою починаються з визначення схеми прокатки (початкової заготовки, числа калібрів). Форма початкової заготовки вибирається на підставі рекомендацій до рис. 2. Розміри початкової заготовки визначаються на підставі нової методики (4). Розташування калібрів проти ходу прокатки: чистовий калібр; передчистовий калібр (контрольний для замкових елементів); 4 - 5 чорнових калібрів (із забезпеченням всебічної обробки поверхні замкових елементів і одночасним формуванням геометрії коритної і замкової частин профілю); 2 - 4 формуючі калібри (залежно від розмірів і форми початкової заготовки). При розрахунку калібровки валків профіль шпунтової палі розділений на розрахункові ділянки (рис. 18): стінка 1; полиці 2; замкові елементи 3.

Розрахунок розмірів калібрів проти ходу прокатки. В чистовому калібрі відбувається тільки надання форми замковим елементам без їхньої деформації. На підставі результатів проведених досліджень вибираємо величину обтиснення по стінці. Для перших шести калібрів, де деформація виконується за один прохід. Чистовий калібр - 0,8 - 1,5 мм; 2 калібр - 1,5 - 2,5 мм; 3 калібр - 2,5 -3,5 мм; 4 калібр-3,5 - 5 мм; 5 калібр - 5,5 - 8 мм; 6 калібр 8 - 10 мм. При такому розподілі обтиснень по стінці замкові елементи не утягуються. Розрахунок замкових елементів другого (контрольного) і третього калібрів (рис. 19) виконується на підставі отриманого нового критерію.

Виконання даної умови для співвідношення геометричних розмірів забезпечить гарантоване сполучення замкової частини підкату, що надходить у контрольний калібр.

З використанням нової методики, в умовах рейкобалкового стану ВАТ ”ДМКД”, було розраховано калібровку валків для прокатки сучасної конструкції шпунтової палі з базою 500 мм. Прокатано профіль, відповідно до вимог нормативних документів (рис. 20).

Рис. 20. Перетин темплету шпунтової палі з базою 500 мм.

Економічний ефект від розробки і впровадження результатів роботи складе 717 тис. грн.

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішено науково-технічну задачу – створено методику проектування калібровки валків для прокатки великих шпунтових паль П_подібної форми з базою 500 мм. Нова методика дозволяє з мінімальними втратами металу і робочого часу впроваджувати технологію виробництва нових профілів.

1. Одержані нові залежності, які дозволяють враховувати вплив кута нахилу полиць в формуючих і чорнових калібрах, висоту і форму ріжучої поверхні гребеня нижнього валка при формозміні металу в калібрах, які призначені для прокатки великих П_подібних профілів с замковими елементами на кінцях полиць.

2. Одержані нові залежності форми замкових елементів на готовому профілі шпунтової палі від форми і розмірів початкової заготовки, режиму деформації металу в формуючих і чорнових калібрах.

3. Встановлено вплив форми і розмірів початкової заготовки, конструкції калібру, ступеня і дрібності деформації, послідовності деформації елементів підкату на плин металу в формуючому і чорнових калібрах.

4. Розроблено та обґрунтовано методику визначення форми й розмірів початкової заготовки при прокатці шпунтових паль типу ”Ларсен”.

5. Розроблено новий метод формування замкових елементів на готовому профілі, який включає контроль висоти заповнення замкової частини розкату, який надходить в передчистовий калібр. Використання нового методу дозволяє збільшити якість готової продукції за рахунок стабільного виконання замкової частини профілю.

6. Вперше розроблено методику розрахунку калібровки валків для прокатки сучасних шпунтових паль. Розроблено варіант профілю шпунтової палі сучасної конструкції. Проведено дослідну прокатку нового профілю в умовах поточного виробництва рейкобалкового стану ВАТ ”ДМКД”.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ:

1. Мельник С.М., Єршов С.В. Аналіз особливостей прокатки сучасних шпунтових паль типу ”Ларсен” //Краматорськ.: Міжвузівський тематичний збірник наукових праць, 2005. - С. 509 - 512.

2. Мельник С.М., Єршов С.В. Аналіз способу формування замкових елементів при виробництві шпунтових паль коритного типу. ВІСНИК Донбаської державної машинобудівної академії.- 2006. –№1(3), - С. 86 - 89.

3. Левченко Г.В., Мельник С.М., Єршов С.В. Дослідження формозміни металу при деформації прямокутної заготовки в першому формуючому калібрі при прокатці шпунтових паль типу ”Ларсен” //Металургійна та гірничорудна промисловість, 2007 - № 3.- С.48 - 52.

4. Єршов С.В., Галицький Е.В., Мельник С.М. Використання модифікованого методу кінцевих елементів у розрахунках деформованого стану при прокатці в калібрах спеціальної форми. Виробництво прокату.- 2004. –№11. С. 29-33.

5. Мельник С.М. Розширення сортаменту шпунтових паль П-подібної форми // Сталь. –2006. –№ 12. –С. 35 - 36.

6. Капелюшний В.П., Єсіпов В.Д., Мельник С.М. Формозміна металу в розрізних балкових калібрах при обтисненні круглих і квадратних заготовок. //Рукопис депоновано Укр.НІІНТІ.05.08.86р.№ 1807-ук.86

7. Дослідження енергосилових параметрів при прокатці шпунтових паль Л4 і Л5 на рейкобалковому стані ДМК із семитонного злитка /Галицький Є.В., Ткаченко С.М., Чабанюк А.С., Мельник С.М. та ін. // Рукопис депоновано Укр.НІІНТІ.05.01.87р.№ 117-ук.87

8. Єршов С.В. Мельник С.М. Теоретичне дослідження тривимірного плину металу при прокатці трубної заготовки.// Металургійна т гірничорудна промисловість. - 2005. –№. 3- С.36 -39.

[1] - Автором виконано аналіз схеми прокатки шпунтових паль, запропоновані основні положення для створення нової схеми прокатки, виконані дослідження впливу форми гребеня нижнього валка на заповнення формуючого калібру в зоні замкових елементів.

[2, 3] - Автором визначені основні фактори, що впливають на формування замкової частини, виконано аналіз схеми формування замкових елементів при прокатці шпунтових паль, досліджено фактичне виконання форми замкових елементів при прокатці трьох профілів сортаменту ”ДМКД”. Запропоновано нову схему формування замкової частини шпунтових паль П_подібної форми типу ”Ларсен”.

[4, 6, 8] Автором проведені дослідження плину металу в калібрах і виконано аналіз одержаних результатів

[7] Автором проведені виміри енергосилових параметрів і виконані обробка й аналіз одержаних результатів.

АННОТАЦИЯ

Мельник Сергей Николаевич. Развитие метода расчёта калибровок валков для прокатки крупных шпунтовых профилей. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. – ”Процессы и машины обработки давлением” – Институт черной металлургии им. З.И. Некрасова НАН Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена изучению закономерностей формоизменения металла в зависимости от геометрических размеров заготовки, рабочего инструмента и разработке, на основании полученных результатов, новой методики расчёта калибровки валков для прокатки крупных шпунтовых свай П-образной формы новой конструкции.

В промышленных условиях исследованы несколько схем прокатки шпунтовых свай, в которых отражены все существующие подходы к прокатке П-образных профилей. Схемы отличаются тем, что профиль прокатывается с прямой и изогнутой стенкой, с использованием разного количества калибров, в различных конструкциях первых формирующих калибров (форма гребня, уклон полок, последовательность деформации элементов профиля, форма и размеры исходной заготовки, степень деформации по стенке).

Установлено, что при прокатке шпунтовых свай новой конструкции необходимо использовать исходную заготовку фасонной формы поперечного сечения, ширина режущей кромки гребня нижнего валка должна составлять 0,5 ч 1 ширины гребня по верхнему основанию

В результате проведенных исследований разработана новая методика для определения размеров исходной заготовки.

В ходе выполненных исследований было установлено, что высота полок может достигать не более 60 % от планируемого обжатия по стенке. Поэтому высота гребня в первом формирующем калибре не должна превышать 60 % от планируемого обжатия по стенке.

Определено, что применение калибров, конструкция которых предусматривает последовательное увеличение угла наклона полок, приводит к несимметричному заполнению замковых элементов. На основании результатов проведенных исследований установлено, что при прокатке крупных шпунтовых свай типа ”Ларсен”, для обеспечения выполнения формы замковых элементов на готовом профиле необходимо использовать одинаковый уклон полок во всех калибрах.

Предложен новый способ формирования замковых элементов, который позволяет контролировать высоту замкового элемента перед деформацией его в контрольном калибре. Это даёт возможность получить точное совмещение формы полосы с формой контрольного калибра, обеспечить выполнение замковых элементов на готовом профиле нужной формы и размеров.

На основании результатов проведенных исследований разработана методика расчёта калибровки валков для прокатки шпунтовых свай типа ”Ларсен” новой конструкции. С использованием предложенной методики, была разработана калибровка валков для прокатки новой конструкции шпунтовой сваи с межзамковой базой 500 мм для условий рельсобалочного стана ОАО ”ДМКД”. Проведена опытная прокатка профиля новой конструкции.

Расчёты, выполненные с применением новой методики могут быть использованы в качестве базовых при разработке технологии производства профилей с межзамковым расстоянием 600 мм и более.

Ключевые слова: калибровка валков, процесс прокатки, шпунтовые сваи П-образной формы, методика расчёта калибровки.

АНОТАЦІЯ

Мельник Сергій Миколайович. Розвиток методу розрахунку калібровок валків для прокатки великих шпунтових профілів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. - ”Процеси та машини обробки тиском” – Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена вивченню закономірностей формозміни металу залежно від геометричних розмірів заготовки, робочого інструменту й, на підставі