МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ПРОКАТКЕ ДЛИННОМЕРНЫХ РЕЛЬСОВ
|
Актуальность работы. Одной из важных государственных задач в на-стоящее время является повышение эксплуатационного ресурса и качества железнодорожных рельсов. Отечественные рельсы, выпускаемые Нижнетагильским и Новокузнецким металлургическими комбинатами по своим эксплуатационным свойствам значительно уступают лучшим зарубежным аналогам (рельсам Японии, Франции, США, Австрии и др. производителей) и не удовлетворяют постоянно возрастающим современным требованиям грузовых и пассажирских перевозок. Открытым акционерным обществом «Российские железные дороги» поставлена задача к 2030г увеличить объем грузовых перевозок в 1,7 раза (до уровня 2,4 млрд.т в год), повысить ресурс рельсов на прямых участках путей до 1500-2500 млн.т груза брутто (вместо 600-800 млн.т брутто в настоящее время), увеличить маршрутные скорости движения пассажирских поездов на высокоскоростных магистралях до 250-350 км/ч, перейти на использование рельсов длиной до 100м (вместо 25м в настоящее время) с целью уменьшения количества сварных швов на железнодорожном полотне.
Получить рельсы, удовлетворяющие указанным требованиям, на действующих линейных рельсобалочных станах ОАО «НТМК» и ОАО «НКМК» практически невозможно. В передовых зарубежных странах (Япония, США, Австрия, Китай и др.) для производства высококачественных длинномерных рельсов применяют современные рельсобалочные станы, снабженные непрерывно-реверсивными группами универсальных четырехвалковых и вспомогательных двухвалковых клетей, а также устройствами для термоупрочнения рельсового раската. С учетом этих тенденций первый в России такой стан сооружается в настоящее время на Челябинском металлургическом комбинате, производится реконструкция рельсобалочного стана ОАО «НКМК» (г. Новокузнецк). В предпусковом периоде этих станов целесообразно провести научный анализ и обоснование рациональной технологии производства длинномерных рельсов.
Согласно техническим требованиям (ГОСТ Р51685-2000, Евронормы БЫ 13674-1:2003, стандарты США АЕБМА-2003, Канады СЫ12-16С, Индии Т12- 96, КНР ТВ/Т 2344-2003 и др. стандарты) длинномерные рельсы должны иметь высокую прямолинейность, высокую и стабильную по длине точность размеров профиля и равномерные механические свойства по длине рельса. Указанные качества существенно зависят от распределения температуры в поперечных сечениях и по длине раската в чистовом проходе, а также от режима охлаждения раската при термообработке. Неравномерность распределения температуры по элементам рельсового профиля (головке, шейке, подошве) и по длине полосы вызывает соответствующую неравномерность напряжений в названных участках раската, и при охлаждении его происходит искривление и коробление (отклонение от прямолинейности) закаленного рельса. В то же время в литературе практически отсутствуют достоверные сведения о распределении температуры по элементам рельсового раската: практически все известные исследования процессов прокатки в универсальных калибрах выполнены в изотермических условиях.
Изложенное выше позволило сформулировать цель диссертационного исследования: определить закономерности изменения температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов на со-временном рельсобалочном стане и разработать научно обоснованные технические решения по повышению прямолинейности закаленных рельсов.
Работа проводилась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по государственному контракту № 02.740.11.0152 «Разработка комплексной металлургической технологии производства высококачественных стальных изделий массового назначения» (шифр 2009-1.1233-032-00 7).
Научную новизну работы представляют следующие разработки:
— методика моделирования методом конечных элементов в программ-ном комплексе «DEFORM-3D» температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов;
— закономерности изменения температуры и интенсивности напряжений по длине и в поперечных сечениях раската при прокатке рельсов на универсальном рельсобалочном стане;
— математическая модель температурного состояния чистового рельсового раската перед термообработкой, позволяющая определять режимы охлаждения рельса при термоупрочнении;
— упрощенный аналитический метод расчета температурных полей при прокатке рельсов, позволяющий с минимальными затратами времени достоверно определять распределение температуры по элементам раската;
— научные объяснения причин нарушения прямолинейности рельсов при прокатке и термообработке.
Практическую значимость работы представляют следующие результаты диссертации:
- алгоритмы расчета инженерным методом распределения температуры по длине и поперечным сечениям раската;
— соображения о целесообразности применения на универсальном рельсобалочном стане отдельно стоящей калибрующей клети, удаленной от не-прерывно-реверсивной группы тандем на расстоянии более длины предчистового раската;
— научно обоснованные рекомендации по выбору способа и устройства для термообработки длинномерных рельсов в условиях современного универ-сального рельсобалочного стана;
— техническое решение по совершенствованию способов охлаждения чистового рельсового раската при термообработке с целью повышения прямо-линейности длинномерных рельсов.
Достоверность полученных выводов и положений диссертации основывается на применении фундаментальных положений теории сортовой про-катки, опыте развития рельсопрокатного производства, использовании классического метода конечных элементов и современных программных средств (ПЕРОЕМ-ЗП, ЗоИЕМогкл, МсиИС'.Ш} и подтверждается проверкой в условиях действующего рельсобалочного стана.
В целом разработанные положения и полученные результаты диссертации направлены на совершенствование рельсопрокатного производства с целью повышения качества и прямолинейности длинномерных рельсов.
Результаты диссертационной работы использованы в ОАО институт «УралНИИАС» при разработке проекта реконструкции прокатного цеха №3 Челябинского металлургического комбината с установкой универсального рельсобалочного стана по контракту № RMCC.il.101 - БЕ - 05.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IX международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ’11). СПбГПУ: - г. Санкт- Петербург, 2011. Пятый международный научно-практический семинар «Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением им. А.Ф. Головина. Модернизация и инновации в металлургии и машиностроении»: - г. Екатеринбург, 2011. Шестая международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина»: - г. Екатеринбург, 2012.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7-и печатных трудах, в том числе в 3-х рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и изложена на 117 страницах машинописного текста, включая 28 рисунков, 5 таблиц, 2 приложения и библиографический список из 117 наименований.
Получить рельсы, удовлетворяющие указанным требованиям, на действующих линейных рельсобалочных станах ОАО «НТМК» и ОАО «НКМК» практически невозможно. В передовых зарубежных странах (Япония, США, Австрия, Китай и др.) для производства высококачественных длинномерных рельсов применяют современные рельсобалочные станы, снабженные непрерывно-реверсивными группами универсальных четырехвалковых и вспомогательных двухвалковых клетей, а также устройствами для термоупрочнения рельсового раската. С учетом этих тенденций первый в России такой стан сооружается в настоящее время на Челябинском металлургическом комбинате, производится реконструкция рельсобалочного стана ОАО «НКМК» (г. Новокузнецк). В предпусковом периоде этих станов целесообразно провести научный анализ и обоснование рациональной технологии производства длинномерных рельсов.
Согласно техническим требованиям (ГОСТ Р51685-2000, Евронормы БЫ 13674-1:2003, стандарты США АЕБМА-2003, Канады СЫ12-16С, Индии Т12- 96, КНР ТВ/Т 2344-2003 и др. стандарты) длинномерные рельсы должны иметь высокую прямолинейность, высокую и стабильную по длине точность размеров профиля и равномерные механические свойства по длине рельса. Указанные качества существенно зависят от распределения температуры в поперечных сечениях и по длине раската в чистовом проходе, а также от режима охлаждения раската при термообработке. Неравномерность распределения температуры по элементам рельсового профиля (головке, шейке, подошве) и по длине полосы вызывает соответствующую неравномерность напряжений в названных участках раската, и при охлаждении его происходит искривление и коробление (отклонение от прямолинейности) закаленного рельса. В то же время в литературе практически отсутствуют достоверные сведения о распределении температуры по элементам рельсового раската: практически все известные исследования процессов прокатки в универсальных калибрах выполнены в изотермических условиях.
Изложенное выше позволило сформулировать цель диссертационного исследования: определить закономерности изменения температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов на со-временном рельсобалочном стане и разработать научно обоснованные технические решения по повышению прямолинейности закаленных рельсов.
Работа проводилась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по государственному контракту № 02.740.11.0152 «Разработка комплексной металлургической технологии производства высококачественных стальных изделий массового назначения» (шифр 2009-1.1233-032-00 7).
Научную новизну работы представляют следующие разработки:
— методика моделирования методом конечных элементов в программ-ном комплексе «DEFORM-3D» температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов;
— закономерности изменения температуры и интенсивности напряжений по длине и в поперечных сечениях раската при прокатке рельсов на универсальном рельсобалочном стане;
— математическая модель температурного состояния чистового рельсового раската перед термообработкой, позволяющая определять режимы охлаждения рельса при термоупрочнении;
— упрощенный аналитический метод расчета температурных полей при прокатке рельсов, позволяющий с минимальными затратами времени достоверно определять распределение температуры по элементам раската;
— научные объяснения причин нарушения прямолинейности рельсов при прокатке и термообработке.
Практическую значимость работы представляют следующие результаты диссертации:
- алгоритмы расчета инженерным методом распределения температуры по длине и поперечным сечениям раската;
— соображения о целесообразности применения на универсальном рельсобалочном стане отдельно стоящей калибрующей клети, удаленной от не-прерывно-реверсивной группы тандем на расстоянии более длины предчистового раската;
— научно обоснованные рекомендации по выбору способа и устройства для термообработки длинномерных рельсов в условиях современного универ-сального рельсобалочного стана;
— техническое решение по совершенствованию способов охлаждения чистового рельсового раската при термообработке с целью повышения прямо-линейности длинномерных рельсов.
Достоверность полученных выводов и положений диссертации основывается на применении фундаментальных положений теории сортовой про-катки, опыте развития рельсопрокатного производства, использовании классического метода конечных элементов и современных программных средств (ПЕРОЕМ-ЗП, ЗоИЕМогкл, МсиИС'.Ш} и подтверждается проверкой в условиях действующего рельсобалочного стана.
В целом разработанные положения и полученные результаты диссертации направлены на совершенствование рельсопрокатного производства с целью повышения качества и прямолинейности длинномерных рельсов.
Результаты диссертационной работы использованы в ОАО институт «УралНИИАС» при разработке проекта реконструкции прокатного цеха №3 Челябинского металлургического комбината с установкой универсального рельсобалочного стана по контракту № RMCC.il.101 - БЕ - 05.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IX международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ’11). СПбГПУ: - г. Санкт- Петербург, 2011. Пятый международный научно-практический семинар «Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением им. А.Ф. Головина. Модернизация и инновации в металлургии и машиностроении»: - г. Екатеринбург, 2011. Шестая международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина»: - г. Екатеринбург, 2012.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7-и печатных трудах, в том числе в 3-х рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и изложена на 117 страницах машинописного текста, включая 28 рисунков, 5 таблиц, 2 приложения и библиографический список из 117 наименований.
В результате выполненной диссертационной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:
1. Разработана методика численного моделирования температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов в программном комплексе «1 )11Н Ж 1-31)». По разработанной методике получены эпюры распределения температуры и интенсивности напряжений в поперечных сечениях по длине раската в каждом проходе при прокатке рельса Р65 на современном рельсобалочном стане, включающем непрерывно-реверсивную группу тандем универсальных клетей и отдельно стоящую чистовую калибрующую универсальную клеть.
2. Определены закономерности изменения температуры металла по длине раската: реверсивная прокатка в черновых клетях способствует относительному выравниванию температуры по длине за счет чередования концов полосы по задаче в валки; при непрерывной прокатке в группе тандем происходит увеличение температурного перепада между передним и задним концом раската до 40ОС, а на чистовом раскате (за калибрующей клетью) наблюдается интенсивный рост неравномерности температуры по длине до 64ОС, что способствует ухудшению прямолинейности рельса и снижению равномерности механических свойств.
3. Установлено, что температурные поля в поперечных сечениях раската характеризуются весьма существенной неравномерностью, которая зависит от формы калибра. В среднем по сечению наиболее низкую температуру имеет шейка рельсового профиля, а наиболее высокую температуру - головка. Разница температур головки и шейки в поперечных сечениях передней, средней и задней частях раската увеличивается по ходу прокатки от 5-70С в черновой клети дуо до максимальной 45-600С в калибрующей клети. Это приводит к искривлению рельса относительно его продольной оси.
4. Показано, что применение на рельсобалочном стане отдельно стоящей калибрующей клети, удаленной от группы тандем на расстоянии более длины предчистового раската, является нецелесообразным, так как приводит к увеличению неравномерности температуры по длине и поперечному сечению раската и способствует снижению прямолинейности рельса.
5. Установлено, что напряженное состояние металла в процессе прокатки характеризуется значительной неравномерностью, как по длине, так и по поперечным сечениям рельсового раската. Под действием указанной неравномерности напряжений создается возможность продольного изгиба и скручивания раската вокруг его продольной оси, что приводит к отклонению рельса от прямолинейности при термообработке.
6. Разработана математическая модель температурного состояния чистового рельсового раската перед термообработкой, позволяющая оперативно рас-считывать температуру любого элемента рельса по длине раската с целью управления режимом термообработки длинномерного рельса.
7. Разработан упрощенный аналитический метод расчета температурных полей при прокатке рельсов, позволяющий оперативно (в масштабе реального времени) достоверно определить основные закономерности распределения температуры по длине и поперечным сечениям рельсового раската на линейных и универсальных рельсобалочных станах.
8. Проведена экспериментальная проверка результатов расчета по разработанным методам в условиях действующего рельсобалочного стана. Показано, что моделирование в программном комплексе «1 )11Н Ж 1-31)» и аналитический метод позволяют рассчитывать температурные поля с достаточной для практики точностью.
9. Разработаны научно обоснованные рекомендации по выбору способа и устройства для термообработки длинномерных рельсов в условиях современного универсального рельсобалочного стана.
10. Предложено на уровне изобретений техническое решение по совершенствованию способов охлаждения чистового рельсового раската при термообработке с целью повышения прямолинейности закаленных длинномерных рельсов.
11. Материалы диссертационной работы были использованы при разработке проекта реконструкции прокатного цеха №3 с установкой универсального рельсобалочного стана ОАО «ЧМК».
Таким образом, в диссертации решена актуальная научно-техническая задача определения температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных железнодорожных рельсов, что имеет существенное значение для повышения их качества и развития рельсопрокатного производства.
1. Разработана методика численного моделирования температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов в программном комплексе «1 )11Н Ж 1-31)». По разработанной методике получены эпюры распределения температуры и интенсивности напряжений в поперечных сечениях по длине раската в каждом проходе при прокатке рельса Р65 на современном рельсобалочном стане, включающем непрерывно-реверсивную группу тандем универсальных клетей и отдельно стоящую чистовую калибрующую универсальную клеть.
2. Определены закономерности изменения температуры металла по длине раската: реверсивная прокатка в черновых клетях способствует относительному выравниванию температуры по длине за счет чередования концов полосы по задаче в валки; при непрерывной прокатке в группе тандем происходит увеличение температурного перепада между передним и задним концом раската до 40ОС, а на чистовом раскате (за калибрующей клетью) наблюдается интенсивный рост неравномерности температуры по длине до 64ОС, что способствует ухудшению прямолинейности рельса и снижению равномерности механических свойств.
3. Установлено, что температурные поля в поперечных сечениях раската характеризуются весьма существенной неравномерностью, которая зависит от формы калибра. В среднем по сечению наиболее низкую температуру имеет шейка рельсового профиля, а наиболее высокую температуру - головка. Разница температур головки и шейки в поперечных сечениях передней, средней и задней частях раската увеличивается по ходу прокатки от 5-70С в черновой клети дуо до максимальной 45-600С в калибрующей клети. Это приводит к искривлению рельса относительно его продольной оси.
4. Показано, что применение на рельсобалочном стане отдельно стоящей калибрующей клети, удаленной от группы тандем на расстоянии более длины предчистового раската, является нецелесообразным, так как приводит к увеличению неравномерности температуры по длине и поперечному сечению раската и способствует снижению прямолинейности рельса.
5. Установлено, что напряженное состояние металла в процессе прокатки характеризуется значительной неравномерностью, как по длине, так и по поперечным сечениям рельсового раската. Под действием указанной неравномерности напряжений создается возможность продольного изгиба и скручивания раската вокруг его продольной оси, что приводит к отклонению рельса от прямолинейности при термообработке.
6. Разработана математическая модель температурного состояния чистового рельсового раската перед термообработкой, позволяющая оперативно рас-считывать температуру любого элемента рельса по длине раската с целью управления режимом термообработки длинномерного рельса.
7. Разработан упрощенный аналитический метод расчета температурных полей при прокатке рельсов, позволяющий оперативно (в масштабе реального времени) достоверно определить основные закономерности распределения температуры по длине и поперечным сечениям рельсового раската на линейных и универсальных рельсобалочных станах.
8. Проведена экспериментальная проверка результатов расчета по разработанным методам в условиях действующего рельсобалочного стана. Показано, что моделирование в программном комплексе «1 )11Н Ж 1-31)» и аналитический метод позволяют рассчитывать температурные поля с достаточной для практики точностью.
9. Разработаны научно обоснованные рекомендации по выбору способа и устройства для термообработки длинномерных рельсов в условиях современного универсального рельсобалочного стана.
10. Предложено на уровне изобретений техническое решение по совершенствованию способов охлаждения чистового рельсового раската при термообработке с целью повышения прямолинейности закаленных длинномерных рельсов.
11. Материалы диссертационной работы были использованы при разработке проекта реконструкции прокатного цеха №3 с установкой универсального рельсобалочного стана ОАО «ЧМК».
Таким образом, в диссертации решена актуальная научно-техническая задача определения температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных железнодорожных рельсов, что имеет существенное значение для повышения их качества и развития рельсопрокатного производства.
Подобные работы
- РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ ДВУТАВРОВЫХ ПРОФИЛЕЙ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ КАЛИБРАХ
Диссертации (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4365 р. Год сдачи: 2015 - СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ И КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КАТАНКИ ИЗ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ МЕДИ
Диссертации (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4300 р. Год сдачи: 2017