НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Бергеман Геннадій Володимирович

УДК 621.771.074

РОЗВИТОК МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ РОЗГОРНУТОГО
КАЛІБРУВАННЯ ВАЛКІВ І РОЗРОБКА ЕФЕКТИВНОЇ
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ШВЕЛЕРІВ

Спеціальність 05.03.05

«Процеси та машини обробки тиском»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Данченко Валентин Миколайович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри обробки металів тиском.

–

–

Захист відбудеться 17.06.2008 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 14.05.2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перспективи удосконалення технології виробництва швелерів полягають у зниженні навантажень на приводи клітей прокатних станів, зменшенні витрат прокатних валків, збільшенні продуктивності станів та розширенні їх сортаменту убік збільшення габаритних розмірів профілю.

Даним вимогам найбільше відповідає розгорнута калібровка валків. Існуючі методи розгорнутого калібрування вимагають визначати довжину дійсних фланців розкату профілю окремо для кожного фасонного калібру. Дотепер не встановлені загальні для швелерів різних розмірів закономірності визначення довжини фланців профілю по проходах прокатки. Це викликає необхідність експериментального підбору оптимальних розмірів дійсних фланців при розрахунку калібровки кожного конкретного швелера.

Основною проблемою при прокатці в розгорнутих калібрах є забезпечення стійкості профілю в калібрі при переході від кривополичних до прямополичних калібрів. Нестача теоретичних та експериментальних даних щодо раціональних режимів деформації в таких калібрах стримує впровадження у виробництво швелерів розгорнутої калібровки.

Складності також виникають при забезпеченні в процесі прокатки необхідної висоти полиць швелера. Зазвичай, це вирішується шляхом використання 1...2-х контрольних прямополичних калібрів. Однак, при калібруванні швелерів бажано обмежувати число контрольних, особливо, закритих калібрів, тому що їх застосування пов'язано зі зменшенням коефіцієнтів деформації (що призводить до збільшення числа проходів) і збільшенням висоти вихідної заготовки. Крім того, наявність калібру з прямими полицями вимагає глибоких врізів рівчаків у валки, що збільшує витрату валків при скороченні можливостей їх переточування.

Перехід до прокатки на середньосортних станах швелерів великих розмірів характеризується зростанням навантажень на елементи устаткування. Існуючі емпіричні методи розрахунку енергосилових параметрів прокатки і метод приведеної штаби не враховують вплив на формозміну металу і силу прокатки всіх параметрів, що характеризують розміри осередку деформації. Це призводить до значної похибки розрахунку. Розрахунки з використанням варіаційних методів і методу скінчених елементів малопридатні для практичного застосування через складність підготовки вихідних даних і одержання рішення. Для оперативного рішення практичних задач необхідна розробка альтернативного методу розрахунку зі зменшенням кількості ітерацій розрахунку і, у той же час, забезпеченням його задовільної точності.

Фактором, що додатково ускладнює розробку наукових основ раціональної технології прокатки швелерів, є обмежений сортамент машин безперервної розливки сталі при їх поточному з прокаткою використанні, оскільки тут бажана уніфікація розмірів заготовок.

Тому робота, яка спрямована на розвиток методів розрахунку параметрів розгорнутого калібрування валків і розробку на їх основі ефективної технології виробництва швелерів, що забезпечує можливість прокатки на середньосортному стані швелерів великих розмірів, зниження енергосилових параметрів деформації металу і досягнення при цьому високих техніко-економічних показників виробництва металопродукції, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з тематичними планами наукових досліджень, проведених ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод
ім. Петровського» і Національною металургійною академією України. Дослідження проведено в рамках програм науково-дослідних робіт: «Дослідження, розробка і впровадження нової технології виробництва швелерів з використанням калібровки розгорнутого типу», ДР № 0107U007958; «Розробка методів розрахунку параметрів прокатки в розгорнутих швелерних калібрах», ДР № 0107U005710. Автор був керівником першої і виконавцем другої роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток методів розрахунку розгорнутого калібрування валків та удосконалення технології прокатки швелерів шляхом розробки раціональних калібровок зі зміною режимів деформації металу, що забезпечують можливість прокатки на середньосортному стані швелерів великих розмірів, зниження енергосилових параметрів деформації металу в процесі прокатки і досягнення при цьому високих техніко-економічних показників виробництва металопродукції.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі:

– проведення аналізу існуючих схем калібровок, що застосовуються для виробництва швелерів, виявлення їх переваг і недоліків;

– удосконалення способів розгорнутого калібрування валків для прокатки швелерів;

– визначення раціональних режимів деформації металу в розгорнутих швелерних калібрах;

– розробка і практичне застосування раціонального методу розрахунку розгорнутого калібрування валків;

– розробка і практичне застосування раціонального методу розрахунку енергосилових параметрів прокатки в розгорнутих швелерних калібрах;

– підвищення експлуатаційних характеристик прокатних валків;

– використання розробок у виробничих умовах.

Об'єкт дослідження. Процес гарячої прокатки швелерів.

Предмет дослідження. Закономірності впливу режимів деформації металу в розгорнутих калібрах на забезпечення стійкого процесу прокатки швелерів, одержання необхідних геометричних розмірів профілю, енергосилові параметри прокатки.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних закономірностях теорії пластичності і теорії обробки металів тиском стосовно до процесів сортової прокатки. Експериментальні дослідження виконані в умовах прокатного цеху №2 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» з використанням засобів контролю якості продукції, що пройшли держатестацію.

Наукова новизна. Наукову новизну мають такі результати теоретичних і експериментальних досліджень, які вперше одержані в дисертації.

1. Вперше для розгорнутого калібрування у відкритому передчистовому прямополичному калібрі встановлені закономірності впливу співвідношень коефіцієнтів деформації елементів профілю на стійкість металу в калібрі і наступне забезпечення стабільної геометрії полиць швелера при виключенні контрольних калібрів.

Раніше подібні дані були невідомі. Одержані дані дозволяють при переході від кривополичних до прямополичних калібрів стабілізувати процес прокатки та одержувати необхідну висоту полиці в процесі її обтиснення.

2. Розроблено новий метод розрахунку розгорнутого калібрування валків для прокатки швелерів.

Відмінність даного методу полягає у використанні нового загального для всіх фасонних калібрів принципу формування вигнутих фланців з виключенням контрольного калібру і сполученням його функцій зі "згортанням" профілю у відкритому передчистовому прямополичному калібрі. Розроблений метод дозволяє скоротити кількість проходів прокатки при уніфікації розмірів вихідних заготовок для прокатки швелерів.

3. Одержав подальший розвиток метод розрахунку енергосилових параметрів прокатки швелерів у розгорнутих калібрах.

Даний метод відзначається урахуванням нерівномірності розподілу деформацій по ширині калібру, а також взаємодії зон, що обтискаються і не обтискаються в осередку деформації. Це дозволяє підвищити точність визначення енергосилових параметрів прокатки в розгорнутих швелерних калібрах.

Практична цінність одержаних результатів. Дослідження процесу прокатки швелерів з використанням розгорнутого калібрування валків дозволили:

– удосконалити технологію виробництва швелера №22П на стані 550;

– розширити сортамент стана 550 швелерами № 20П та №24П;

– уніфікувати розміри вихідних заготовок для виробництва швелерів різних типорозмірів;

– знизити енергосилові параметри прокатки швелерів;

– знизити витрату і скоротити парк валків, що використовуються для прокатки швелерів;

– підвищити продуктивність стана.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці технологій виробництва швелерів в умовах ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» (акт від 10.10.2007 р.), а також для виробництва на ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків» профільованих валків (акт від 21.12.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Усі принципові теоретичні та експериментальні результати, які були одержані в дисертації, базуються на дослідженнях, проведених автором. Особистий внесок здобувача в публікаціях зі співавторами полягає в наступному: [1] – аналіз існуючих технологічних схем розгорнутого калібрування валків, розробка нового методу розгорнутого калібрування валків для прокатки швелерів з підвищенням техніко-економічних показників їх виробництва; [6] – розробка нового методу розрахунку енергосилових параметрів прокатки в розгорнутих швелерних калібрах; [7] – аналіз впливу нової технології прокатки швелерів на стійкість валків; [8] – визначення раціональних режимів деформації при прокатці швелерів у розгорнутих калібрах з використанням контрольного напівзакритого калібру; [9] – визначення раціональних режимів деформації при прокатці швелерів у розгорнутих калібрах без використання контрольного калібру.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на: IV науково-практичній конференції ДЗМО «Машинобудування – джерело ефективності ГМК» (Дніпропетровськ, 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції ДГМА «Сучасні методи моделювання процесів обробки матеріалів тиском» (Краматорськ, 2006 р.) і на об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ та прокатних відділів ІЧМ НАНУ (Дніпропетровськ, 2006, 2007, 2008 рр.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 1 монографії,
6 статтях у спеціалізованих і тематичних збірниках, у 2 патентах.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків, викладена на 141 сторінці; містить: таблиць 17, рисунків 35, список використаних джерел з 72 найменувань, додатків – 3.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлена загальна характеристика роботи: обґрунтована актуальність теми, визначені мета, задачі, об'єкт, предмет і методи досліджень, висвітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробація одержаних результатів.

ОГЛЯД І АНАЛІЗ СТАНУ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ШВЕЛЕРІВ

Швелери прокатують двома основними способами: з прямими і розгорнутими полицями. В цей час прийнято, що найбільш досконалим є розгорнуте калібрування валків, яке показало на практиці добрі результати при прокатці швелерів малих та середніх розмірів. Сутність даного способу прокатки полягає в тому, що перехід від розгорнутого майже до горизонталі калібру до прямополичного здійснюється поступово із застосуванням низки перехідних кривополичних калібрів, які забезпечують плавну формозміну швелерного розкату.

До переваг розгорнутого калібрування відносяться: можливість інтенсифікації процесу деформації металу, скорочення числа фасонних калібрів, можливість прокатки швелера в полі мінусових допусків, мала глибина врізу калібрів, зниження ступеню зносу калібрів за рахунок зменшення різниці окружних швидкостей по перерізу калібру, інтенсивне і рівномірне обтиснення складових елементів профілю, менша витрата прокатних валків, збільшення продуктивності стана за рахунок зменшення кількості перевалок валків і настроювань стана. Наведені переваги роблять впровадження розгорнутого калібрування технологічно та економічно вигідним заходом.

Розвитку методів розгорнутого калібрування валків присвячені роботи Д.І. Старченка, Б.М. Ілюковича, В.Т. Стефанова, В.Є. Протасова, І.М. Кочетова та ін. Однак існуючі методи не дозволили створити єдиного, загального для широкого сортаменту швелерів способу розгорнутого калібрування валків і мають скоріше рекомендаційний характер. Відомі експериментальні і теоретичні дані вимагають узагальнення та подальшого розвитку.

Для забезпечення точних розмірів полиць готового профілю існує необхідність в чіткому дотриманні їх геометричних параметрів у процесі обтиснення при прокатці. Для цього використовуються два типи калібрування швелера: калібровка з контрольним калібром і без контрольного калібру.

У розгорнутих калібровках використовуються напівзакриті прямополичні контрольні калібри. Прямополичні передчистові калібри мають випуск 20...40 %, а чистовий калібр 1...3 %. Наявність калібрів з прямими полицями вимагає глибоких врізів рівчаків у валки, що має ряд істотних недоліків.

При калібруванні швелера без застосування контрольного калібру чистовий калібр також розгорнутий за рахунок вигину стінки, ухил невигнутих полиць до вертикалі становить 10...15 %. Остаточне згортання прокатаного профілю здійснюється в холодному стані на роликоправильній машині за звичайною технологією виправлення. Можливості контролю висоти полиці при розгорнутому калібруванні вивчені недостатньо.

Розвиток технологічних схем прокатки швелерів спрямований на подальше зменшення глибини врізу калібрів у валки, збільшення кута ухилу полиць у чорнових та чистових калібрах. Тому існуюча задача розвитку методів розрахунку розгорнутого калібрування валків і розробки на їх основі ефективної технології виробництва швелерів, що забезпечує можливість прокатки на середньосортному стані швелерів великих розмірів, зниження енергосилових параметрів деформації металу і досягнення при цьому високих техніко-економічних показників виробництва металопродукції, вимагає дослідження.

РОЗРОБКА СПОСОБУ РОЗГОРНУТОГО КАЛІБРУВАННЯ ШВЕЛЕРІВ

БЕЗ ВИКОРИСТАННЯ КОНТРОЛЬНОГО КАЛІБРА

Розробка нового ефективного способу розгорнутого калібрування валків для виробництва швелерів здійснювалася на середньосортному стані 550 ВАТ «ДМЗ ім. Петровського». Робоча лінія стана обладнана обтискною реверсивною кліттю дуо 670 та сьома нереверсивними клітями дуо 630.
В даний час основний сортамент продукції стана становлять швелери від
№ 8П до № 30П.

Початкове освоєння виробництва швелерів здійснювалося із застосуванням балкової схеми калібрування валків. Використовуючи даний спосіб калібрування, вдалося розширити сортамент середньосортного стана 550 і здійснювати прокатку швелерів до №22П включно. Найбільші труднощі виникли при освоєнні швелера №22П, що пов'язано з можливостями устаткування стана та особливостями калібрування валків. Недоліки балкового способу калібрування змусили застосувати для удосконалення виробництва швелерів розгорнутий спосіб калібрування валків.

Для виробництва швелера №8П розроблено розгорнуте калібрування із застосуванням напівзакритого контрольного калібру в передчистовій кліті №7 (рис. 1). Використання напівза-критого контрольного калібру виявило його недоліки. Так, при забезпеченні необхідної висоти полиці в даному калібрі утворюється переповнення рів-чака калібру нижнього валка, що, у свою чергу, призводить до підвищеного зносу наступного чистового калібру. При даному способі деформації полиці обтиснення її кінцевої ділянки не здійснюється, що, у свою чергу, змушує виконувати підвищені обтиснення в наступних калібрах. Крім того, залишилася не цілком вирішеною проблема самоцентрування розкату при переході від кривополичних до прямополичних калібрів, недостатньо використані можливості створення рівномірного режиму деформації металу основних елементів швелерного розкату.

На підставі одержаних експериментальних даних розроблено і впроваджено у виробництво нову схему розгорнутого калібрування валків з використанням відкритого прямополичного передчистового калібру як контрольного. Розробка даного способу калібрування здійснювалася при виробництві швелерів №№20П, 24П.

Відповідно до розробленої схеми калібрування вихідна заготовка деформується в шести кривополичних і двох прямополичних калібрах. Прямополичні калібри мають підвищений до 25...40 % ухил полиць. Складові елементи швелерного профілю формуються в закритих розгорнутих калібрах у виді вигнутої стінки і розгорнутих полиць з наступним їх вирівнюванням у прямополичних калібрах.

У відкритому передчистовому прямополичному калібрі (рис. 2) здійснюється бокове обтиснення кінців полиць, висотне обтиснення та остаточне згладжування несправжніх (фіктивних) фланців, а також висотне обтиснення стінки. Проблема «стійкості» розкату в калібрі та одержання стабільної висоти полиць розв’язана експериментально з урахуванням досвіду виробництва швелерів №№ 20П, 24П. Визначений обмежений інтервал раціональних коефіцієнтів обтиснень складових елементів профілю в парі відкритого прямополичного передчистового та останнього чорнового кривополичного калібрів. Коефіцієнт обтиснення стінки знаходиться в межах 1,25...1,29. Співвідношення коефіцієнта обтиснення стінки з коефіцієнтами обтиснень елементів профілю: для основи полиці 1,06...1,09; для кінця полиці 0,95...1,05. Недотримання наведених режимів деформації призводить до «звалювання» розкату в прямополичному калібрі і нестабільності висоти полиць.

Прокатку швелера закінчують у чистовому випускному калібрі. Тут відбувається певне висотне обтиснення стінки по товщині, остаточно згладжуються несправжні (фіктивні) фланці, і формується кут між прямолінійною поверхнею полиць і вертикаллю в межах 16…18. Готовий профіль одержують після його виправлення в холодному стані на роликоправильній машині.

Для подальшого переводу усього прокатуваного сортаменту швелерів на новий спосіб виробництва створено метод розрахунку розгорнутого калібрування валків. Даний метод містить рекомендації з побудови розгорнутих швелерних калібрів, визначення геометричних розмірів стінки, полиць, їх радіусів заокруглень (рис. 3) і чітко визначені вимоги до коефіцієнтів обтиснення основних елементів розкату в калібрах, а також дозволяє уніфікувати розміри вихідних заготовок для швелерів широкого сортаменту.

Відповідно до розробленого методу розрахунку розширення середньої лінії стінки в чистовому калібрі становить 0,5 мм, а в інших калібрах:

bn = n – 1, мм, (1)

де n – кількість проходів прокатки.

Розмір криволінійної частини стінки:

- для швелерів до №12: , мм; (2)

- для швелерів від №12 до №30: , мм; (3)

- для швелерів від №30 і вище: , мм. (4)

Радіус криволінійної частини стінки:

, мм. (5)

Кількість проходів прокатки:

. (6)

Сумарний коефіцієнт обтиснення стінки:

. (7)

Коефіцієнти обтиснення стінки в розгорнутих калібрах:

, (8)

. (9)

Коефіцієнти обтиснення основи дійсних фланців:

. (10)

Коефіцієнти обтиснення кінців дійсних фланців:

. (11)

Коефіцієнти обтиснення основи полиці:

. (12)

Коефіцієнти обтиснення кінців полиці в кривополичних калібрах:

(13)

У перших чотирьох за ходом прокатки калібрах висота (довжина) фланців: , мм. (14)

У наступних калібрах висота (довжина) фланців визначається, виходячи з відомих розмірів довжини стінки профілю, незмінної ширини профілю та ухилу торців полиць, рівного 15 %.

Довжина криволінійної частини дійсного фланця:

, мм. (15)

Радіус криволінійної частини дійсного фланця:

, мм. (16)

Визначення положення кінця фланця здійснюється по середній лінії або за допомогою його проекцій на вісі Х та У.

Ширина проекції на вісь Х усіх наступних калібрів є однаковою і дорівнює:

Вкал = Вкал3 – 2, мм. (17)

Висота проекції калібра на вісь У дорівнює:

Нкал n+1 = Нкал n + 57, мм. (18)

Висота несправжніх (фіктивних) фланців:

, мм. (19)

Ширина несправжніх (фіктивних) фланців біля їх основи:

, мм. (20)

Ширина несправжніх (фіктивних) фланців на кінці фланця:

, мм. (21)

Радіус заокруглення несправжнього (фіктивного) фланця:

, мм. (22)

Ширина розрізаної заготовки: , мм. (23)

Висота розрізаної заготовки є постійною і дорівнює: Нр.з. =100 мм.

Єдина для всіх розмірів Нр.з. дозволяє уніфікувати розміри вихідних заготовок. Виникає можливість використання заготовок постійної ширини, а для прокатки швелера конкретних розмірів визначається тільки висота заготовки.

Висота заготовки по середині шийки: , мм. (24)

Висота заготовки по кінцях калібра: , мм. (25)

Радіус торця заготовки: , мм.(26)

Розроблений метод розра-хунку дозволяє проектувати калібровку для всього існуючого сортаменту швелерів.

На основі нового методу калібрування спроектована роз-горнута калібровка валків для прокатки швелера №22П. Темплети розкатів після прокатки в калібрах №№ 1...6 представлені на рис. 4. Промислове випробування і наступне успішне впровадження у виробництво даного способу прокатки швелера №22П доводить правильність розробленого методу розгорнутого калібрування і дозволяє застосовувати його для подальшого удосконалювання технології виробництва швелерів.

МОДЕЛЮВАННЯ НАПРУЖЕНОГО ТА ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ МЕТАЛУ ПРИ ПРОКАТЦІ У РОЗГОРНУТИХ ШВЕЛЕРНИХ КАЛІБРАХ

При розробці моделі процесу прокатки в калібрах виходили з розгляду формозміни металу в елементах I осередку деформації (рис. 5), виділених поперечними перерізами з постійним кроком:

, (27)

де Ldmax – максимальна довжина осередку деформації, мм; Imax – кількість елементів осередку деформації, виділених поперечними перерізами (прийнято Imax = 10).

Крім того, виконувалася розбивка ширини профілю заготовки і профілю калібру на однакову кількість Nпрод елементів J поздовжніми перерізами осередку деформації (прийнято Nпрод = 100). При цьому ширина кожного елементу J у перерізах I дорівнює:

Bi = Bi / Nпрод, (28)

де Bi – ширина профілю в кожнім I-м перерізі осередку деформації, мм.

Елемент заготовки між перерізами I=0 і I=1 на ділянці між точками N1 і К1 піддається обтисненню валками, у той час як на суміжних ділянках метал не піддається обтисненню.

При визначенні положення точок N1 і К1 виходили з умови, що довжина осередку деформації у всіх перерізах J на цій ділянці перевищує відстань LdI від площини виходу до перерізу I=1. На цій ділянці відбувається обтиснення заготовки в перерізах J від початкової товщини H0j до товщини H1j .

Зміщена площа по висоті визначається таким виразом:

. (29)

Площа перерізу ділянки профілю, що обтискається:

. (30)

Показник істинної відносної деформації ділянки, що обтискається:

. (31)

Деформація подовження exI визначається як частина висотної деформації:

, (32)

де AI – параметр, що варіюється.

Через AI визначається також поперечна деформація:

. (33)

При допущенні про рівність поздовжніх швидкостей течії металу у всіх точках поперечного перерізу осередку деформації одержані однакові показники поздовжньої деформації exI у зонах, що обтискаються і не обтискаються. При цьому, подовження зон, що не обтискаються, буде супроводжуватися рівномірною деформацією в поперечному напрямку. Показники деформації зон, що не обтискаються, у поперечному напрямку:

. (34)

Площа перерізу зон, що не обтискаються, з урахуванням скорочення лінійних розмірів перерізу в результаті розтягання дорівнює:

. (35)

При заданій швидкості входу металу в осередок деформації Vx0 у результаті подовження exI швидкість поздовжнього руху зростає і у перерізі I=1 дорівнює: Vx1= Vx0 (1+ ex1 ). (36)

Час, витрачений на деформацію:

t1=x /Vx1 . (37)

Швидкість деформації:

uz1= ez1 /t1 . (38)

З урахуванням значення базового напруження текучості, заданої температури деформації, розрахованого ступеню і швидкості деформації, з використанням методу термомеханічних коефіцієнтів визначені величини напружень текучості металу в зонах, що обтискаються Tz1 і не обтискаються Тx1.

Під час розтягання зон, що не обтискаються, у зоні, яка обтискається, діють поздовжні стискаючі напруження:

сж1 = Тx1 Fно1 / W1. (39)

Крім того, у зоні, що обтискається, у перерізі I=1 діють поздовжні підпираючі напруження:

под1 = Rx1 / W1, (40)

де Rx1 – рівнодіюча сил тиску і тертя на контактній поверхні зони, що обтискається.

Використовуючи спрощене рівняння пластичності, одержано вираз вертикального деформуючого напруження:

p1=Tz1 + під1 + сж1 . (41)

Потужність сил тертя на ділянці, що обтискається:

, (42)

де xz – контактне напруження тертя; F1j – площа поверхні елемента j, що контактує з валком; Vвj – Vмj – швидкість ковзання на поверхні контакту валка і металу для елемента j.

Потужність деформації розтягання ділянок, що не обтискаються:

. (43)

Потужність деформації ділянки, що обтискається:

. (44)

Загальна витрата потужності на деформацію першого елемента осередку деформації:

N1 = Nтр + NдефНО + N деф . (45)

Величина витраченої потужності залежить від значення параметра A1, який варіюється. Виконуючи розрахунки витраченої потужності в повному діапазоні можливої зміни параметра 0 A1 1 визначено значення параметра A1*, при якому має місце мінімум витраченої потужності. Відповідно до принципу варіаційного методу рішення пластичних задач, величина A1* відповідає дійсному значенню, що визначає фактичне співвідношення деформацій при заданих умовах навантаження.

Згідно з методом калібрування, у розробленій калібровці швелера використовуються розгорнуті калібри в клітях № 2...6, що мають однакову ширину (наприклад, для швелера 22П – 319 мм), розраховану за формулою (17). Передбачено відсутність чи повне обмеження поперечної течії металу (розширення) в осередку деформації. Тобто створюються умови плоского деформованого стану. Це значно спрощує задачу складання балансу витрачених потужностей та визначення силових і кінематичних параметрів деформації.

Визначивши параметри деформації якого-небудь елемента осередку деформації, одержують дані про напруження, швидкість поздовжньої течії металу, величини розширення, накопиченого ступеня деформації, які вико-ристовуються як вихідні для розрахунків параметрів деформації наступного елемента. Для даного елемента також визначається довжина ділянок, що об-тискаються і не обтискаються, величина зміщеної площі, площа зон, що об-тискаються і не обтискаються, і т.д. аналогічно розрахунку попереднього еле-мента. Розрахунок виконується за алгоритмом, наведеним в дисертаційній роботі.

Відповідно до алгоритму розрахунку для перерізу I=10 (на виході з валків) одержані дані про необхідну величину врівноважуючої сили Rx10 . При заданій умові прокатки без переднього натягу чи підпору величина сили Rx10 повинна дорівнювати нулю. Щоб привести розрахунок у відповідність з заданими умовами, виконується корегування використаної в розрахунку величини швидкості входу заготовки в осередок деформації Vx0. Це призводить до зміни співвідношення зон відставання та випередження в осередку деформації, зміни швидкості виходу штаби з валків Vx10, а величина сили Rx10 досягає необхідного значення.

Алгоритм розрахунку реалізовано у відповідній програмі розрахунку параметрів прокатки, яка дозволила отримати дані про силові і кінематичні параметри деформації в кожному перерізі по довжині осередку деформації, а також інтегральні показники: площу контактної поверхні, силу прокатки, крутний момент прокатки, споживану потужність, випередження.

Виконано порівняння результатів даного розрахунку з результатами, які були одержані за допомогою методу приведеної штаби і фактичних значень токових навантажень на приводи клітей стану 550. При розрахунку за методом приведеної штаби розрахункові дані мають занижені значення з величиною відхилення від фактичних та знаходяться в інтервалі від –3 до
–60 %. Розроблений метод дозволив підвищити точність розрахунку та зменшити похибку до 14 %.

РЕЗУЛЬТАТИ ЗАСТОСУВАННЯ РОЗГОРНУТОЇ КАЛІБРОВКИ ВАЛКІВ ПРИ ВИРОБНИЦТВІ ШВЕЛЕРІВ

Впровадження розгорнутої калібровки валків при виробництві швелера №22П привело до зниження на 15...33 % навантажень на приводи клітей стана 550.

Впровадження розгорнутої калібровки також призвело до зниження витрати прокатних валків, скорочення усього парку сортопрокатних валків. Дослідження впливу способів калібрування на стійкість валків здійснювалося шляхом порівняння результатів використання розгорнутого калібрування при виробництві швелера №24П з балковим калібруванням при прокатці швелера №22П. Дане зіставлення здійснювалося через подобу основних геометричних розмірів калібрів для їх прокатки.

Можливий діапазон переточування валків для прокатки швелера №24П збільшився на 40 мм і досяг 105 мм. Переваги розгорнутого калібрування очевидні при розгляді кількості прокату за одну завалку – для швелера №24П показник становить 5100 т, а для швелера №22П відповідно 2400 т. Таким чином, при виробництві партії металопрокату об’ємом 8000 т при використанні розгорнутого калібрування необхідно провести максимум одну перевалку, а при застосуванні балкового – три перевалки валків. Підвищення стійкості валків при виробництві швелера №24П одночасно для всіх клітей стана показане у вигляді гістограми (рис. 6).

Якщо середня величина знімання металу за переточування істотно не відрізняється та, в основному, становить 10...20 мм, то кількість виробленого металопрокату за завалку відрізняється в кілька разів. З урахуванням більш повного використання діапазону переточувань валків середня кількість прокатаного металу за весь період використання комплекту валків для швелера №24П становила 41000 т, а для швелера №22П 19500 т, що з урахуванням річного об’єму виробництва означає дворазову економію валків.

Виконано розрахунок мінімально необхідного числа комплектів пар валків для прокатки швелера №22П. З урахуванням постійної годинної продуктивності та обороту комплекту валків при використанні балкової схеми калібрування усього потрібно 29 пар валків, а при розгорнутій – тільки 18.

Ефект підвищення стійкості до зносу прокатних валків збільшився при використанні в клітях стана 550 попередньо профільованих валків. При виробництві швелера №24П в чистовій кліті стана середня кількість прокатаного металу збільшилася з 67 до 144 т/мм знімання діаметра валка. Це стало підставою для розробки рекомендацій з виготовлення валків з литими рівчаками на ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків» профільованих валків (акт від 21.12.2007 р.).

Застосування розгорнутого калібрування за рахунок зменшення кількості перевалок і часу на настроювання стана 550 дозволило збільшити його продуктивність у порівнянні з рейкобалковим станом 800 на 30...40 %, а у порівнянні з виробленим за прямополичним калібруванням – на 5…7 %.

Економічна ефективність впровадження на ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» нової технології виробництва швелера №22П з використанням калібровки розгорнутого типу становить 1496398,66 грн. у цінах 2007 р. (акт від 10.10.2007 р.).

ВИСНОВКИ

У дисертації отримано теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі, що полягає в розвитку методів розрахунку розгорнутого калібрування валків та удосконаленні технології прокатки швелерів шляхом розробки раціональних калібровок зі зміною режимів деформації металу, що забезпечують можливість прокатки на середньосортному стані швелерів великих розмірів, зниження енергосилових параметрів деформації металу в процесі прокатки і досягнення при цьому високих техніко-економічних показників виробництва металопродукції.

1. Аналіз існуючих технологічних схем виробництва швелерів показав, що дослідження, спрямовані на визначення закономірностей формозміни металу в розгорнутих швелерних калібрах і розробку на цій основі раціональних технологічних процесів, є актуальними.

2. Одержав подальший розвиток спосіб розгорнутого калібрування валків для виробництва швелерів, який полягає у використанні після кривополичних відкритих прямополичних передчистового та чистового калібрів з ухилом полиць до 25...40 %. В результаті на стані 550 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» успішно освоєно виробництво швелерів великих розмірів №№20П...24П.

3. Розроблено ефективний спосіб одержання стабільної висоти полиці швелера в процесі прокатки. Виявлено переваги схеми прокатки без використання контрольного калібру у порівнянні з застосуванням контрольного калібру напівзакритого типу, що виключило можливість утворення дефектів на поверхні прокату.

4. Вперше для розгорнутого калібрування у відкритому передчистовому прямополичному калібрі встановлені закономірності впливу співвідношень коефіцієнтів деформації елементів профілю на стійкість металу в калібрі і наступне забезпечення стабільних геометричних розмірів полиць швелера. Рекомендовано використовувати коефіцієнт обтиснення стінки в межах 1,25...1,29, а співвідношення його з коефіцієнтами обтиснень елементів профілю повинно бути: для основи полиці 1,06...1,09; для кінця полиці 0,95...1,05. Одержані результати дозволяють при переході від кривополичних до прямополичних калібрів стабілізувати процес прокатки та отримувати необхідну висоту полиці в процесі її обтиснення.

5. Розроблено новий метод розрахунку розгорнутого калібрування валків для прокатки швелерів, який полягає у використанні нового загального для всіх фасонних калібрів принципу формування вигнутих фланців з виключенням контрольного калібру і сполученням його функцій зі "згортанням" профілю у відкритому перед чистовому прямо поличному калібрі. Даний метод дозволяє скоротити кількість проходів прокатки, уніфікувати розміри вихідних заготовок для прокатки швелерів. За допомогою розробленого методу виконано розгорнуте калібрування валків для прокатки швелера №22П.

6. Виконано математичне моделювання процесу прокатки швелерів у розгорнутих калібрах з урахуванням нерівномірності розподілу деформацій по ширині калібру, а також взаємодії зон, що обтискаються і не обтискаються в осередку деформації. За допомогою створеної моделі розраховані енергосилові і кінематичні параметри прокатки швелера №22П.

7. Одержав подальший розвиток метод розрахунку енергосилових параметрів прокатки швелерів у розгорнутих калібрах. Це дозволило з використанням деяких допущень, що спрощують розрахунок, зменшити кількість його ітерацій, крім того скоротити до 14 % похибку розрахунку енергосилових параметрів прокатки в розгорнутих швелерних калібрах, в порівнянні з
60 %, що мали місце при використанні колишніх підходів.

8. Впровадження у виробництво розгорнутого калібрування валків призвело до зниження на 15...33 % навантажень на приводи клітей стана 550 та в цілому по стану до практично дворазового зниження витрати валків і підвищення на 30...40 % продуктивності прокатки швелерів. Можливий діапазон переточувань валків для прокатки швелера №24П збільшився на 40 мм і досяг 105 мм. Крім того, при використанні в чистовій кліті стана попередньо профільованих валків середня кількість прокатаного металу збільшилася з 67 до 144 т/мм знімання діаметра валка. Скоротилася необхідна кількість комплектів пар валків для виробництва швелера №22П с 29 при балковому до 18 при розгорнутому калібруванні.

9. Економічний ефект від використання нової технології прокатки на ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» швелера №22П становить більше 1400 тис. грн. у цінах 2007 р. (акт від 10.10.2007 р.).

10. Результати роботи використані при розробці та впровадженні технічних пропозицій щодо виробництва швелерів на ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» (акт від 10.10.2007 р.), і виробництва прокатних валків на ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків» (акт від 21.12.2007 р.).

Основний зміст дисертації відображено у роботах:

1. Современные технологии производства швеллеров с применением развернутой калибровки валков / [Г.В. Бергеман, С.М. Антонюк, М.В. Краев, И.В. Пелых, К.С. Антонюк.] – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2007. – 64 с.

2. Бергеман Г.В. Современное состояние и перспективы совершенствования производства профилей швеллерного типа / Г.В. Бергеман // Металл и литье Украины. – 2007. – № 9-10. – С. 41-47.

3. Бергеман Г.В. Новый способ прокатки профилей швеллерного типа / Г.В. Бергеман // Металл и литье Украины. – 2007. – № 8. – С. 22-23.

4. Бергеман Г.В. Новый способ развернутой калибровки валков для прокатки швеллеров с использованием открытого контрольного предчистового калибра / Г.В. Бергеман // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2007. – № 5. – С. 60-64.

5. Бергеман Г.В. Разработка и апробация профилированных прокатных валков для производства швеллеров / Г.В. Бергеман // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2007. – № 4. – С. 46-49.

6. Моделирование процесса прокатки в развернутых швеллерных калибрах / Л.Ф. Машкин, Г.В. Бергеман, В.Н. Данченко, С.М. Антонюк // Металл и литье Украины. – 2007. – № 5. – С. 10-13.

7. Исследование влияния нового вида развернутой калибровки швеллеров на показатели стойкости прокатных валков в условиях среднесортного стана 550 ОАО «ДМЗ им. Петровского» / Г.В. Бергеман, А.Н. Белик, С.М. Антонюк, В.И. Бойко, И.В. Пелых, К.С. Антонюк // Металл и литье Украины. – 2006. – № 5. – С. 7-10.

Додатково наукові результати відображено у роботах:

8. Пат. 28273 (А) Україна, B 21 B 1/08. Спосіб прокатування швелерів / О.Д. Зражевський, Т.Г. Шевченко, Г.В. Бергеман, В.С. Махнін, С.М. Антонюк, А.М. Білик, В.Т. Шевцов, В.І. Сухий, І.А. Карлов, В.І. Бідняк; заявл. 05.03.96; опубл. 29.12.99, Бюл. № 8.

9. Пат. 75971 Україна, B 21 B 27/02. Спосіб прокатки профілів швелерного типу / Г.В. Бергеман, А.М. Білик, С.М. Антонюк, В.І. Бойко, І.В. Пелих; заявл. 01.04.04; опубл.; 15.06.06, Бюл. № 6.

АНОТАЦІЯ

Бергеман Г.В. Розвиток методів розрахунку розгорнутого калібрування валків і розробка ефективної технології виробництва швелерів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.05. – Процеси та машини обробки тиском. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена удосконаленню технології прокатки швелерів шляхом використання нової схеми калібровки валків. У роботі проведено експериментальне дослідження формозміни металу при прокатці швелерів №№ 8П, 20П...24П. Особлива увага приділена проблемі формозміни металу в парі останнього кривополичного і прямополичного калібрів, а також можливості забезпечення необхідних розмірів профілю. Розроблено новий метод побудови і розрахунку розгорнутого калібрування валків. Теоретично проаналізовані енергосилові і кінематичні параметри прокатки в розгорнутих швелерних калібрах. Отримав розвиток метод розрахунку енергосилових параметрів прокатки у розгорнутих калібрах. Отримане підвищення продуктивності та розширення сортаменту стану 550 ВАТ "ДМЗ ім. Петровського".

Ключові слова: швелер, розгорнуте калібрування, метод розрахунку, прокатні валки, енергосилові параметри, продуктивність.

АННОТАЦИЯ

Бергеман Г.В. Развитие методов расчета развернутой калибровки валков и разработка эффективной технологии производства швеллеров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. – Процессы и машины обработки давлением. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2008.

В диссертации получено теоретическое обобщение и новое решение научно-технической задачи, состоящей в совершенствовании технологии прокатки швеллеров путем разработки рациональных калибровок с изменением режимов деформации металла, обеспечивающих возможность прокатки на среднесортном стане швеллеров крупных размеров, снижение энергосиловых параметров деформации металла в процессе прокатки и достижение при этом высоких технико-экономических показателей производства металлопродукции.

Изучены возможности прокатки на среднесортном стане крупных номеров швеллеров №№ 20П…24П с использованием развернутого способа калибровки валков. Полученные результаты позволяют расширить проектный сортамент прокатных станов в сторону увеличения габаритных размеров производимых профилей.

Исследовано формоизменение металла в паре последнего кривополочного и прямополочного калибров, а также определены возможности обеспечения требуемых размеров профиля. Для открытого предчистового прямополочного калибра, осуществляющего «сворачивание» развернутого раската, предложены режимы деформации основных элементов швеллера, позволяющие исключить «сваливание» раската в калибре и решить проблему получения требуемой высоты полки в процессе ее обжатия.

На основании экспериментальных исследований обоснован и разработан новый метод расчета развернутой калибровки валков для производства швеллеров. Предложенный метод позволяет сократить количество проходов прокатки, унифицировать размеры исходных заготовок для прокатки швеллеров.

Выполнен теоретический анализ энергосиловых и кинематических параметров прокатки в развернутых швеллерных калибрах. Получил развитие метод расчета энергосиловых параметров прокатки, позволяющий повысить точность их определения в развернутых швеллерных калибрах.

Определено влияние новой технологии прокатки на технико-экономические показатели производства швеллеров.

Результаты работы использованы в Открытом акционерном обществе «Днепропетровский металлургический завод им. Петровского», а также на Днепропетровском заводе прокатных валков.

Ключевые слова: швеллер, развернутая калибровка, метод расчета, прокатные валки, энергосиловые параметры, производительность.

ABSTRACT

Bergeman G.V. Development of the methods for calculation of the developed roll pass design and working out the efficient technology of the channel manufacture. – Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of the candidate in engineering sciences in the specialty 05.03.06 - Processes and machines of metal forming. – The National Metallurgical Academy of Ukraine. Dnipropetrovs'k, 2008

The subject of the thesis is improvement of technology for rolling channels using the new scheme of roll pass design. In the present paper the experimental investigation of the metal shape change while rolling channels №№ 8П, 20П...24П was carried out. A special attention was given to the problem of the metal shape change in the pair of the last passes with curved and right flanges as well as to the possibility of securing the necessary dimensions of the shape. A new method has been developed for building and calculation of the developed roll pass design. A theoretic analysis of the energy and power as well as kinematic parameters of rolling in the developed channel passes had been carried out. The