Совершенствование режимов прокатки и калибровки валков на основе исследований выкатываемости поверхностных дефектов с целью повышения качества сортового проката
На правах рукописи
Мартьянов Юрий Анатольевич Совершенствование режимов прокатки и калибровки валков на основе исследований выкатываемости поверхностных дефектов с целью повышения качества сортового проката 05.16.05 Обработка металлов давлением
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск – 2013 2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» Научный руководитель :
Кандидат технических наук, доцент Кадыков Владимир Николаевич
Официальные оппоненты:
Беляев Сергей Владимирович, доктор технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Обработка металлов давлением», профессор Шварц Данил Леонидович, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.
Ельцина», кафедра «Обработка металлов давлением», доцент Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
Защита состоится «15» января 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.099.10, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660025, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95, ауд. 212.
Автореферат разослан «13» декабря 2012 г.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Ученый секретарь диссертационного совета Гильманшина Татьяна Ренатовна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
* Актуальность работы:
Современный этап развития прокатного производства характеризуется постоянным повышением требований к качеству выпускаемой продукции. При этом одной из наиболее значимых характеристик качества металлопроката является наличие на его поверхности дефектов. Поверхностные дефекты, являясь концентраторами напряжений, значительно ухудшают прочностные и пластические характеристики проката в процессе его дальнейшей обработки и эксплуатации.
Опыт работы большинства действующих прокатных станов показывает, что дефекты на поверхности металлопроката являются одной из основных причин получения продукции несоответствующего качества. При этом в структуре брака наибольшую долю занимают дефекты, перешедшие на готовый прокат с исходных заготовок.
Несмотря на значительное количество исследований по вопросу образования и развития поверхностных дефектов можно констатировать, что на сегодняшний день отсутствует единое мнение о влиянии технологических параметров прокатки на качество поверхности готовой металлопродукции.
Данный факт объясняется сложностью и недостаточной изученностью процессов течения металла при прокатке в калибрах. Таким образом, исследования закономерностей формоизменения поверхностных дефектов заготовок при прокатке в калибрах на сегодняшний день продолжают оставаться актуальными.
Данный тезис подтверждается тем, что настоящая работа выполнялась в соответствии с Государственной программой «Основы политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу» от 30 марта 2002 г. и перечнем критических технологий РФ «Компьютерное моделирование», «Энергосбережение».
Цель работы: Разработка комплекса технических и технологических решений, обеспечивающих повышение качества сортового проката.
* Диссертация выполнена при научной консультации к.т.н. А.А. Уманского Основные задачи:
1. Исследование влияния параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов заготовок при прокатке в калиброванных валках.
2. Анализ влияния напряженно-деформированного состояния на течение деформируемого металла в различных зонах сортовых калибров в зависимости от их формы.
Разработка мероприятий по совершенствованию технологии 3.
производства металлопродукции на мелкосортных станах с целью повышения качества поверхности готового проката.
4. Обоснование экономической эффективности предлагаемых технических и технологических решений при внедрении в производство.
Научная новизна:
1. Получены новые научные данные о влиянии параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов при сортовой прокатке в калибрах простой формы.
2. Установлены закономерности формоизменения металла при деформации в ящичных, овальных и ромбических калибрах и их влияние на выкатываемость дефектов при прокатке.
Определена взаимосвязь между напряженно-деформированным 3.
состоянием и перемещением поверхностных слоев металла;
установлены значения степени использования запаса пластичности в этих слоях и в среднем по сечению раската.
Практическая значимость:
Разработана методика опытно-промышленных испытаний в 1.
производственных условиях, позволившая производить оценку влияния параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов при минимизации числа опытов и прогнозировать качество продукции при сортовой прокатке.
2. Разработана и внедрена в производство новая калибровка валков черновой группы непрерывного мелкосортного стана 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», позволившая повысить эффективность деформационных режимов прокатки при одновременном уменьшении энергосиловой нагрузки на основное оборудование.
3. В промышленных условиях с использованием результатов исследований получены опытные партии проката из конструкционных сталей повышенного качества, при этом выход годного увеличился на 3%.
Реализация результатов.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке и совершенствовании режимов прокатки на непрерывном мелкосортном стане 250- ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», в результате чего достигнуто повышение выхода годного при производстве проката по ГОСТ 10702-78 и получен экономический эффект 723,7 тыс. руб. при долевом участии автора 289,5 тыс. руб.
Научные результаты диссертационного исследования используются при подготовке студентов по специальности 150106 «Обработка металлов давлением» в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Использование результатов работы в производственном и учебном процессах подтверждены соответствующими актами внедрения.
Методы исследования.
1. Метод конечных элементов при использовании специализированного программного комплекса DEFORM 3D.
2. Методы теории подобия и моделирования процессов обработки металлов давлением при проведении лабораторных экспериментов.
3. Методики статистического анализа экспериментальных данных.
Достоверность и обоснованность полученных выводов и результатов подтверждается: совместным использованием воспроизводимых по точности методов математического моделирования процессов прокатки, основанных на современных достижениях теории пластичности, и методик проведения экспериментов в лабораторных и промышленных условиях;
использованием методов планирования экспериментов;
эффективностью полученных результатов при использования в действующих прокатных цехах, что подтверждено актом внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всероссийских научно практических конференциях «Металлургия: Технологии, управление, инновации, качество» (г. Новокузнецк, 2010 г. и 2011 г.);
международной научно практической конференции направления теоретических и «Современные прикладных исследований ‘2012» (г. Одесса (Украина), 2012 г.).
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов заготовок при прокатке в калиброванных валках.
2. Методика и результаты исследований формоизменения металла при развитии поверхностных дефектов заготовок в процессе прокатки сортовых профилей на промышленном мелкосортном стане 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК».
3. Полученные закономерности течения металла в различных зонах сортовых калибров при прокатке и закономерности их взаимосвязи с напряженно деформированным состоянием металла.
4. Новая калибровка непрерывного мелкосортного стана 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», разработанная на основе проведенных исследований.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 печатных работах, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, приложения, изложена на 117 страницах, содержит 58 рисунков, 14 таблиц и список использованных источников из наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности работы, ее научной и практической значимости.
В первой главе приведена классификация и причины возникновения дефектов сортового металлопроката. На примере опыта работы непрерывного мелкосортного стана 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» показано, что основную долю в структуре брака составляют поверхностные дефекты, перешедшие на готовый металлопрокат с исходных заготовок. По результатам литературного обзора материалов отечественных и зарубежных исследований, посвященных влиянию технологических параметров производства металлопроката на качество готовой продукции, сделаны выводы о современном состоянии вопроса диссертационного исследования, сформулированы основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе приводятся методика и результаты исследований процессов формоизменения поверхностных дефектов при различных условиях прокатки, проведенных на лабораторном стане «ДУО-80».
Согласно принятой методике на свинцовые образцы квадратного сечения размерами 3030200 мм перед прокаткой наносили искусственные дефекты в виде продольных, поперечных и наклонных пазов. Прокатка образцов производилась в ящичном, ромбическом и овальном калибрах. В ходе проведения исследований оценивали влияние на изменение глубины дефектов следующих параметров: формы используемых для прокатки калибров, месторасположения дефектов на поверхности заготовки (на гранях, на ребрах, в средней части заготовки, вблизи концевых участков раската), ориентации дефектов относительно направления прокатки (продольные, поперечные, наклонные на угол 450), коэффициента вытяжки. Прокатку образцов проводили по 60-ти вариантам сочетания исследуемых факторов, при этом по каждому варианту прокатано по 5 образцов.
В качестве критерия, характеризующего изменение глубины дефектов, приняли коэффициент выработки, определяемый из выражения:
H Д К ВЫР =, (1) H Д где H Д 0, H Д1 – глубина дефектов до и после прокатки соответственно.
Для оценки значимости влияния параметров прокатки на коэффициент выработки дефектов использовали стандартные методики дисперсионного и регрессионного анализа.
По результатам анализа полученных данных установлено значимое влияние всех исследуемых параметров на коэффициент выработки дефектов. Наиболее благоприятные условия для уменьшения глубины поверхностных дефектов создаются при использовании ромбических калибров, а наихудшие результаты получены при деформации образцов в овальных калибрах. В количественном выражении коэффициент выработки дефектов при прокатке в ромбическом калибре выше коэффициента выработки при деформации в овальном калибре в среднем на 21 %, а по сравнению с прокаткой в ящичном калибре эта разница составляет 12 % (рис. 1).
КВЫР 6, 4, 5,00 4, 4, 3, 3,82 3,82 3,61 3, 4,00 3,39 3,323, 3, 3, 2, 1, 0, Продольные Продольные Наклонные Поперечные дефекты на дефекты на дефекты дефекты ребрах гранях ромбический калибр ящичный калибр овальный калибр Рисунок 1 – Зависимость коэффициента выработки дефектов от формы калибра и месторасположения дефекта Зависимость коэффициента выработки дефектов от формы калибра, используемого при прокатке, в значительной степени обусловлена различной неравномерностью распределения обжатий по ширине калибра. С увеличением неравномерности обжатий по ширине полосы возрастают дополнительные растягивающие напряжения, которые препятствуют закатыванию дефектов, что происходит в овальном калибре и подтверждается экспериментально.
Влияние месторасположения дефектов на поверхности заготовки и их ориентации относительно направления прокатки проявляется в том, что наиболее интенсивно уменьшается глубина продольных дефектов, расположенных на ребрах заготовки, затем в порядке уменьшения коэффициента выработки дефектов располагаются продольные дефекты на гранях заготовки, наклонные дефекты и поперечные дефекты. В количественном выражении коэффициент выработки дефектов отличается на 11 %, 18 % и 23 % соответственно (рис. 1).
Более интенсивное уменьшение глубины продольных дефектов, расположенных на ребрах заготовки, по сравнению с дефектами на гранях заготовки обусловлено тем, что при прокатке в центральной зоне калибра металл получает только вертикальное смещение, а в боковых зонах калибра имеет место одновременное вертикальное и горизонтальное перемещение поверхностных слоев раската.
Наименьший коэффициент выработки поперечных дефектов связан с наличием продольных растягивающих напряжений, возникновение которых обусловлено высокой вытяжкой осевых слоев по сравнению с приповерхностными слоями раската.
По вопросу влияния месторасположения дефектов на коэффициент их выработки также следует отметить, что глубина продольных дефектов на концевых участках раската практически не уменьшается и при этом имеет место их раскрытие (рис. 2). Причем протяженность зон раскрытия дефектов меньше на входном конце раската по отношению к противоположному концу.
Рисунок 2 – Раскрытие продольного дефекта на концевых участках образца Раскрытие дефектов на концевых участках заготовки связано с отсутствием одной из внешних зон при прокатке, а различная протяженность зон раскрытия дефектов на входном и противоположном ему концах раската объясняется неравномерностью течения металла.
Кроме того, установлено, что вблизи ребер заготовки, раскрываются расположенные в них поперечные и наклонные к оси прокатки дефекты (рис. 3).
Объяснением данному факту служит то, что продольные растягивающие напряжения на ребрах заготовок имеют наибольшую величину.
Рисунок 3 – Раскрытие поперечного и наклонного дефектов после прокатки Анализ влияния коэффициента вытяжки на коэффициент выработки поверхностных дефектов показал, что их взаимосвязь имеет ярко выраженный нелинейный характер (рис. 4).
Характер полученных зависимостей объясняется прямой взаимосвязью коэффициента вытяжки раската с величиной обжатий заготовки при прокатке, которые в свою очередь определяют глубину проникновения деформации в заготовки. При малых обжатиях деформируются только «тело» приповерхностные слои раската, в результате чего деформация проникает в металл на меньшую глубину, чем глубина дефекта. Увеличение обжатий способствует интенсивному повышению выработки дефектов вплоть до момента, когда глубина проникновения деформации достигнет глубины дефекта. После этого момента интенсивность выработки дефектов с ростом степени деформации увеличивается не столь значительно.
4,5 4,5 Y = -80,751X +198,47X-117, Y = -67,461X +166,68X-99, Коэффициент выработки дефектов Коэффициент выработки дефектов 4,0 4,0 Y = -63,395X +158,22X-95, Y = -58,783X +146,56X-87, 3,5 3, 3,0 3, 2,5 2, 2,0 2, 2 Y = -54,712X +137,10X-82, Y = -32,842X +86,89X-53, 1,5 1, 1,0 1, 1,03 1,08 1,13 1,18 1, 1,03 1,08 1,13 1,18 1, Коэффициент вытяжки Коэффициент вытяжки ромбический калибр ящичный калибр овальный калибр ромбический калибр ящичный калибр овальный калибр а б Y = -94,409X +190,32X-138, Y = -93,949X +229,56X-135,94 5, 5, Y = -76,599X +233,07X-113, Коэффициент выработки дефектов Коэффициент выработки дефектов 4, 4, Y = -72,073X +178,35X-106,49 4, 4, 3, 3, 3, 3, 2, 2, 2, 2, Y = -89,337X +217,89X-129, 1, 1,5 Y = -67,461X +166,68X-99, 1, 1,0 1,03 1,08 1,13 1,18 1, 1,03 1,08 1,13 1,18 1, Коэффициент вытяжки Коэффициент вытяжки ящичный калибр ромбический калибр овальный калибр ромбический калибр ящичный калибр овальный калибр в г Рисунок 4 – Зависимость коэффициента выработки дефектов от коэффициента вытяжки при прокатке:
а – поперечные дефекты;
б – наклонные дефекты;
в – продольные дефекты на гранях;
г – продольные дефекты на ребрах.
В третьей главе приводятся результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния и течения металла в поверхностных слоях заготовки при прокатке в сортовых калибрах, проведенного с использованием специализированного инженерного программного комплекса DEFORM 3D. При моделировании напряженно-деформированного состояния металла использовали геометрические параметры исходных заготовок и калибров, соответствующие параметрам проведения экспериментов на лабораторном прокатном стане «ДУО-80». Соблюдение условия геометрического подобия с параметрами проведения лабораторных экспериментов обеспечило дополнительную воспроизводимость и сопоставимость результатов математического моделирования. Кроме этого, дополнительно провели моделирование процесса прокатки подката овального поперечного сечения в овальном калибре с целью определения влияние степени подобия формы исходной заготовки и готового профиля на напряженно-деформированное состояние металла.
Показателем, характеризующим напряженно-деформированное состояние металла, в программном комплексе DEFORM 3D является критерий Кокрофта Лэтэма, определяемый по формуле:
* D = d, (2) где – накопленная пластическая деформация;
d – приращение накопленной деформации;
* – максимальное главное растягивающее напряжение;
– интенсивность напряжений.
Критерий Кокрофта-Лэтэма характеризует степень использования запаса пластичности и, таким образом, является показателем вероятности образования и развития дефектов в процессе деформации.
Моделирование проводили для заготовки из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,09%. Использовали вязкоупругопластическую модель Джонсона-Кука, в которой предел текучести определяется по формуле:
T T m Т = ( Т 0 + A ) 1 + C ln 1 + & T T, n (3) & ПЛ где Т 0 – предел текучести при комнатной температуре;
– эффективная пластическая деформация;
n – параметр, отвечающий за влияние деформационного упрочнения;
– скорость изменения эффективной пластической деформации;
& 0 – референсная скорость деформации;
& A – чувствительность к деформации;
С – чувствительность к скорости деформации;
TПЛ – температура плавления металла;
T0 – референсная температура;
m – параметр, описывающий температурное разупрочнение;
Применительно к вышеуказанной низкоуглеродистой стали значения параметров модели составили: Т 0 = 50,785 МПа, A = 39,903, С = 0,022, D = 1, n = 0,36, m = 1.
Полученные данные о распределении критерия Кокрофта-Лэтэма по сечению раската (рис. 5) позволяют констатировать, что независимо от формы калибра (ящичный, ромбический, овальный) и формы поперечного сечения исходного подката (квадрат, овал) наиболее неблагоприятная схема напряженно деформированного состоянии металла создается в поверхностных слоях заготовки в центральной зоне калибра.
а б в г Рисунок 5 – Схема распределения критерий Кокрофта-Лэтэма по сечению раската после деформации:
а, б, в – квадратной заготовки в ящичном, ромбическом и овальном калибрах;
г – овального подката в овальном калибре.
При этом наибольшие значения степени использования запаса пластичности, как в приповерхностных слоях, так и в среднем по сечению раската, получены для случая прокатки квадратной заготовки в овальном калибре (таблица 1), что говорит о неблагоприятных условиях с точки зрения выкатываемости поверхностных дефектов.
Таблица 1 – Зависимость степени использования запаса пластичности от формы исходного подката и калибра Степень использования запаса Форма поперечного пластичности сечения исходного Форма калибра средняя по подката максимальная сечению Квадрат Ромбический 0,39 0, Квадрат Ящичный 0,42 0, Квадрат Овальный 0,45 0, Овал Овальный 0,36 0, Полученные результаты согласуются с данными лабораторных экспериментов, что является дополнительным подтверждением сделанных выводов и правильности выбора методики моделирования.
Наиболее благоприятная схема напряженно-деформированного состояния металла имеет место при деформации овальной заготовки в калибре овальной формы – степень использования запаса пластичности, в данном случае имеет минимальные значения, как в приповерхностных слоях, так и в среднем по сечению раската. Отсюда можно сделать вывод, что схема напряженно деформированного состояния металла при прокатке в значительной степени определяется подобием формы исходной заготовки и калибра, в котором происходит ее деформация. Наиболее благоприятная схема напряженно деформированного состояния металла создается при высокой степени подобия формы заготовки и калибра.
С целью более полного раскрытия механизмов формирования напряженно деформированного состояния металла при прокатке провели моделирование закономерностей течения металла в различных зонах калибров. В процессе моделирования анализировали перемещение точек, нанесенных на верхнюю грань исходной заготовки. Всего для анализа выбрали 11 точек, расположенных по ширине заготовки на равном расстоянии друг от друга в центральной по длине зоне калибра (на равном расстоянии от входного и выходного концов раската) – рис. 6.
Рисунок 6 – Схема нанесения точек при моделировании процесса прокатки в интерфейсе программы DEFORM 3D Полученные результаты моделирования перемещения точек в процессе прокатки позволили определить картину течения металла по ширине калибра в различных его зонах (рис. 7).
Горизонтальное смещение, мм 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ромбический калибр ящичный калибр овальный калибр Относительное расстояние от вершины калибра, % к ширине заготовки Рисунок 7 – Течение поверхностных слоев металла при прокатке квадратной заготовки в калибрах различной формы В центральной зоне калибра имеет место только вертикальное перемещение металла в направлении обжатия (величина горизонтального смещения равна 0);
в боковых зонах поверхностные слои металла одновременно перемещаются в направлении обжатия и в горизонтальной плоскости по направлению от центра калибра к его периферии. При этом ширина зоны, где имеет место перемещение металла только в вертикальном направлении, в значительной степени зависит от формы исходной заготовки и калибра. Так, если при прокатке квадратной заготовки в ящичном калибре протяженность такой зоны составила около 20 % от ширины калибра, то при деформации квадратной заготовки в ромбическом и овальном калибрах только вертикальное перемещение металла фактически имеет место лишь в вершинах калибров.
Сопоставление результатов математического моделирования течения металла с полученной схемой напряженно-деформированного состояния позволило сделать вывод, что наибольшее исчерпание запаса пластичности происходит в тех зонах калибра, где имеет место только вертикальное перемещение металла при деформации. При одновременном течении металла в направлении обжатия и в горизонтальном направлении схема напряженно деформированного состояния приобретает более благоприятный характер и способствует лучшей выработке поверхностных дефектов.
приведено описание разработанной методики В четвертой главе исследования влияния параметров деформации на изменение глубины дефектов при прокатке на промышленных мелкосортных станах и результаты использования данной методики в условиях непрерывного мелкосортного стана 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК».
Сущность разработанной методики заключается в нанесении на поверхность исходных заготовок дефектов в виде продольных трещин по специальной схеме и оценке изменения глубины дефектов в процессе прокатки с помощью коэффициента выработки, определяемого по формуле (1). Согласно принятой схеме дефекты наносят на верхнюю, боковую и нижнюю грани заготовки, а также на ребра заготовки, находящихся на пересечении указанных граней (рис. 8). Размеры дефектов выбираются исходя из размеров исходной заготовки и готового проката с тем расчетом, чтобы избежать полной выработки дефектов после окончания прокатки. Применительно к условиям мелкосортного стана 250-2 размеры дефектов составили: глубина – 5 мм, ширина – 2 мм, длина 1000 мм (рис. 8).
1 Рисунок 8 – Схема нанесения искусственных дефектов на заготовки К основному достоинству вышеописанной методики проведения промышленных экспериментов относится возможность получения максимального количества информации о влиянии параметров прокатки на коэффициент выработки дефектов при минимизации числа опытов. Уменьшение числа экспериментов позволяет снизить потери металла в виде продукции несоответствующего качества.
Выбранный для проведения промышленных экспериментов непрерывный мелкосортный стан 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» имеет в своем составе прокатных клети, объединенных в четыре группы: черновую, промежуточную и две чистовых группы. Прокатка в черновой и промежуточной группах клетей производится в две нитки, в чистовых группах – в одну нитку. Стан специализирован на производстве арматурного проката №12-28 и проката круглого сечения 14-30 мм. Наиболее ответственным сортаментом стана является прокат конструкционных сталей для холодной высадки марок 10кп, 15кп, 20кп. Производство данного вида продукции сопровождается значительной величиной брака из-за наличия поверхностных дефектов – выход годного составляет 8085 %. При этом наименьший выход годного характерен для профилей диаметром 25 мм и 28 мм.
Основываясь на вышесказанном, для проведения исследований использовали заготовки стали 10кп, которые прокатывали на круглые профили диаметром 25 мм. Прокатку проводили по двум различным калибровкам:
существующей (базовой) и калибровке, разработанной с учетом рекомендаций полученных в ходе лабораторных экспериментов и математического моделирования. Отличительными особенностями новой калибровки явились:
замена ящичного и шестигранного калибров клетей №5 и №6 на ребровой овальный и овальный калибры соответственно, а также изменение формы и размеров ребрового овального калибра клети №7 (рис. 9).
В процессе прокатки проводили отбор проб от недокатов после клети №7 и клети №9, а также в готовом прокате. В качестве критерия, характеризующего изменение размеров дефектов, выбрали коэффициент выработки дефектов, рассчитываемый по формуле (1). Размеры дефектов на исходных заготовках, а также на недокатах и в готовом сорте оценивались на нетравленых микрошлифах при 100-кратном увеличении.
В результате обработки данных промышленных экспериментов с использованием дисперсионного анализа установлено, что калибровка валков клетей «5», «6» и «7» черновой группы и месторасположение дефектов на исходной заготовке оказывают значимое влияние на коэффициент их выработки при прокатке. Коэффициент выработки поверхностных дефектов при использовании экспериментальной калибровки выше соответствующего показателя при использовании существующей калибровки, как для дефектов на гранях заготовок, так и для нанесенных на ребра заготовок дефектов. В численном выражении разница составляет 1,18 – 1,25 раз (рис. 10).
С целью анализа технологичности разработанной калибровки дополнительно провели сравнительную оценку загрузки приводов клетей по току при использовании базовой и новой калибровки.
клеть А клеть № клеть № клеть № клеть № клеть № клеть № клеть № а б Рисунок 9 – Калибровка валков клетей черновой группы мелкосортного стана 250- а – базовая;
б - усовершенствованная 3, 3, 2, 3, 2, 2, 2, 2, базовая калибровка 1, новая калибровка 1, 0, 0, грани заготовки ребра заготовки Рисунок 10 – Зависимость выработки поверхностных дефектов заготовки от калибровки черновой группы клетей стана 250- Так как при разработке новой калибровки изменяли форму и размеры калибров клетей №5, №6 и №7, то оценку загрузки приводов производили для названных клетей и клети №8, где изменились размеры подката.
По полученным данным (рис. 11) при использовании разработанной калибровки незначительно возрастает загрузка привода клети №5 (на 1%) и снижается загрузка приводов остальных клетей, которых коснулось изменение калибровки: клети №6 – на 8%, клети №7 – на 11%, клети №8 – на 10%. В целом, можно отметить, что снижение загрузки коснулось наиболее загруженной из рассматриваемых клетей (клети №6) и распределение загрузки по клетям приобрело более равномерный характер.
Касательно влияния месторасположения дефектов на заготовке на коэффициент их выработки можно отметить, что глубина дефектов, нанесенных на ребра заготовок, уменьшается в 1,05–1,07 раза более интенсивно, чем глубина дефектов на гранях заготовок (рис. 10). Полученная картина более интенсивного уменьшения глубины дефектов, расположенных на ребрах заготовок, совпадает с данными, полученными в ходе проведения лабораторных экспериментов.
Загрузка приводов клетей, % 35 30 существующая 25 калибровка экспериментальная калибровка Клеть №5 Клеть №6 Клеть №7 Клеть № Рисунок 11 – Загрузка приводов клетей черновой группы стана 250- при использовании различных калибровок Анализ данных о влиянии расположения поверхностных дефектов по длине заготовки на коэффициент их выработки показал, что глубина дефектов, расположенных вблизи заднего конца раската, уменьшается значительно менее интенсивно, чем глубина дефектов в средней части заготовки. Коэффициент выработки дефектов на пробах, отобранных от готового проката на расстоянии 0, м от заднего конца, в среднем в 1,871,89 раза ниже по отношению к коэффициенту выработки дефектов, расположенных на расстоянии 810 м от заднего конца раската. Полученная картина согласуется с данными лабораторных экспериментов и связана с отсутствием одной из внешних зон при прокатке.
По полученным данным влияние охлаждения раската водой в процессе прокатки проявляется в том, что наиболее интенсивно вырабатываются дефекты, подвергающиеся наименее интенсивному охлаждению. Так при уменьшении интенсивности охлаждения в 1,5 раза коэффициент выработки дефектов возрастает в 1,171,25 раза. В наименьшей степени вырабатываются дефекты, расположенные при прокатке на верхней грани заготовки за счет возникновения микровзрывов при заполнении полостей дефектов охлаждающей водой.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. В результате исследований, проведенных на лабораторном стане «ДУО 80» и промышленном непрерывном мелкосортном стане 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», определены закономерности влияния калибровки валков на изменение глубины поверхностных дефектов в процессе прокатки. По полученным данным наиболее благоприятные условия для выкатываемости поверхностных дефектов создаются при обеспечении высокой степени подобия формы исходного подката и калибра, используемого для прокатки.
2. Получены аналитические зависимости изменения глубины дефектов от коэффициента вытяжки полосы при прокатке. Нелинейный характер зависимостей, полученный для всех вариантов калибровки и месторасположения дефектов на заготовке, связан с изменением соотношения глубины проникновения деформации в образец с глубиной залегания дефекта.
3. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика опытно-промышленных испытаний в производственных условиях, позволившая производить оценку влияния параметров деформации на образование и развитие поверхностных дефектов при минимизации числа опытов и прогнозировать качество продукции при сортовой прокатке.
4. В ходе проведения лабораторных и промышленных экспериментов установлена взаимосвязь между месторасположением дефектов на поверхности заготовки и интенсивностью уменьшения их глубины в процессе деформации в сортовых калибрах. Показано, что дефекты на ребрах заготовок выкатываются интенсивнее по отношения к дефектам, расположенным на гранях заготовок.
Также установлено, что в наименьшей степени выкатываются дефекты вблизи концевых участков раската.
5. В результате опытной прокатки заготовок на мелкосортном стане 250- ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» определено, что при повышении интенсивности охлаждения граней раската водой, подаваемой на валки, выкатываемость поверхностных дефектов ухудшается. При увеличении интенсивности охлаждения заготовки водой в 1,5 раза глубина дефектов в процессе прокатки снижается в 1,171,25 раза менее интенсивно.
6. Проведено моделирование напряженно-деформированного состояния металла при прокатке заготовок в калибрах различной формы с использованием специализированного инженерного программного комплекса DEFORM-3D. По полученным данным наибольшее исчерпание запаса пластичности происходит в тех зонах калибра, где имеет место только вертикальное перемещение металла при деформации.
7. Разработана новая калибровка валков черновой группы клетей мелкосортного стана 250-2 ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Использование указанной калибровки позволило увеличить выход годного при производстве конструкционного проката по ГОСТ 10702-78 на 3% при одновременном уменьшении загрузки приводов клетей. Экономический эффект, подтвержденный актом внедрения, составил 723,7 тыс. руб. при долевом участии автора 289,5 тыс.
руб.
ОСНОВНЫЕ ПУЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в рецензируемых журналах и изданиях 1. Мартьянов, Ю. А. Исследование выкатываемости продольных дефектов сортовой заготовки / Ю. А. Мартьянов, А. В. Теляков, Ю. Т. Рубцов, О. Ю. Ефимов, В. В. Гречин // Сталь, 2006. – № 2. – С. 33–34.
2. Перетятько, В. Н. Исследование формоизменения продольных дефектов при прокатке на непрерывном мелкосортном стане / В. Н. Перетятько, Ю. А. Мартьянов, А. А. Уманский, А. А. Федоров // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2008. – №8. – С. 12–16.
Труды периодических изданий и научно-практических конференций 3. Мартьянов, Ю. А. Совершенствование технологии производства круглого проката конструкционных сталей на мелкосортном стане 250-2 ОАО «ЗСМК» / Ю. А. Мартьянов, В. Н. Кадыков, А. А. Уманский // Металлургия:
Технологии, управление, инновации, качество. Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции, – Новокузнецк, 2010. – С. 69–73.
4. Кадыков, В.Н. Влияние калибровки прокатных валков на выработку поверхностных дефектов / В. Н. Кадыков, Ю. А. Мартьянов, А. А. Уманский // Вестник горно-металлургической секции российской академии естественных наук. Отделение металлургии: Сборник научных трудов. – Москва-Новокузнецк, 2011. – Вып. 27. – С. 132–136.
5. Кадыков, В. Н. Моделирование процессов формоизменения дефектов при прокатке в калибрах / В. Н. Кадыков, А. А. Уманский, Ю. А. Мартьянов // Металлургия: Технологии, управление, инновации, качество. Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк, 2011. – С. 146– 151.
6. Уманский, А. А. Закономерности образования и развития дефектов при прокатке в калиброванных валках / А. А. Уманский, Ю. А. Мартьянов // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции направления теоретических и прикладных «Современные исследований ‘2012». – Выпуск 1. Том 7. – Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. – ЦИТ:
112-358 – С. 31–36.
7. Уманский, А. А. Моделирование процессов выработки поверхностных дефектов заготовки при различных условиях прокатки / А. А. Уманский, Ю. А. Мартьянов // Вестник горно-металлургической секции российской академии естественных наук. Отделение металлургии: Сборник научных трудов. – Москва-Новокузнецк, 2012. – Вып. 30. – С. 51–58.
Изд. лиц. ИД №01439 от 05.04. Подписано в печать Формат бумаги 60x84 1/16 Усл. печ. л.
Уч. – изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Издательский центр ФГБОУ ВПО «СибГИУ»