РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ ДВУТАВРОВЫХ ПРОФИЛЕЙ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ КАЛИБРАХ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
1.1. Сортамент двутавровых профилей 14
1.2. Способы прокатки двутавров 14
1.3. Универсальные балочные станы 19
1.4. Методы расчета калибровок валков 24
1.4.1. Расчеты формоизменения металла 24
1.4.2. Расчет энергосиловых и технологических параметров прокатки 30
1.5. Теоретические исследования процессов прокатки в универсальных калибрах 32
1.6. Развитие вычислительных методов и средств математического
моделирования 41
1.6.1. Применение вычислительных пакетов 41
1.6.2. Математическое моделирование 43
1.7. Выводы. Определение цели и задач диссертационной работы 46
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ ДВУТАВРОВЫХ ПРОФИЛЕЙ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ КАЛИБРАХ 51
2.1. Исходные положения 51
2.2. Построение геометрической модели очага деформации 51
2.3. Кинематически возможное поле скоростей течения металла 55
2.4. Граничные условия на контактной поверхности 57
2.5. Система основных уравнений и методика её решения 60
2.6. Среднее контактное давление и усилие прокатки 67
2.7. Численная реализация и экспериментальная проверка теоретических
решений 71
2.8. Определение закономерностей процесса прокатки двутавровых профилей в
универсальных калибрах 74
2.9. Выводы 85
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КАЛИБРОВОК ВАЛКОВ И
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ ДВУТАВРОВЫХ ПРОФИЛЕЙ 87
3.1. Общие положения 87
3.2. Определение числа проходов и составление схемы калибровки 87
3.3. Распределение коэффициентов вытяжки 97
3.4. Расчет формоизменения металла и определение размеров калибров 101
3.5. Расчет скоростного режима прокатки 104
3.6. Расчет температурного режима прокатки 113
3.7. Расчет энергосиловых параметров 114
3.8. Проверка ограничений режима прокатки 115
3.9. Выводы 116
4. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА
ПРОКАТКИ ДВУТАВРА 35Б2 НА НОВОМ УНИВЕРСАЛЬНОМ РЕЛЬСОБАЛОЧНОМ СТАНЕ 118
4.1. Исходные данные 118
4.2. Определение числа проходов и составление схемы калибровки.
Распределение коэффициентов вытяжки 120
4.3. Расчет формоизменения металла и определение размеров калибров 121
4.4. Расчет рационального скоростного режима прокатки 124
4.5. Моделирование температурных режимов прокатки и НДС металла 128
4.5.1. Методика компьютерного моделирования 128
4.5.2. Анализ результатов конечно-элементного моделирования 135
4.5.3. Температурный режим прокатки 136
4.5.4. Напряженное состояние металла 140
4.5.5. Деформированное состояние металла 141
4.6. Расчет энергосиловых параметров и динамического режима 145
4.7. Проверка ограничений режима прокатки 146
4.7.1. Прочность оборудования стана 146
4.7.2. Мощность электродвигателей привода рабочих клетей 146
4.7.3. Условия захвата металла валками 149
4.8. Выводы 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Результаты вычислительного эксперимента по определению закономерностей формоизменения и силовых воздействии в универсальных калибрах 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Калибровка валков непрерывно-реверсивной группы тандем универсального рельсобалочного стана для прокатки двутаврового профиля №35Б2 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Результаты компьютерного моделирования температурного и напряженно-деформированного состояния для условий прокатки двутаврового профиля №35Б2 на современном рельсобалочном стане 181
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Материалы использования результатов диссертации 191
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
1.1. Сортамент двутавровых профилей 14
1.2. Способы прокатки двутавров 14
1.3. Универсальные балочные станы 19
1.4. Методы расчета калибровок валков 24
1.4.1. Расчеты формоизменения металла 24
1.4.2. Расчет энергосиловых и технологических параметров прокатки 30
1.5. Теоретические исследования процессов прокатки в универсальных калибрах 32
1.6. Развитие вычислительных методов и средств математического
моделирования 41
1.6.1. Применение вычислительных пакетов 41
1.6.2. Математическое моделирование 43
1.7. Выводы. Определение цели и задач диссертационной работы 46
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ ДВУТАВРОВЫХ ПРОФИЛЕЙ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ КАЛИБРАХ 51
2.1. Исходные положения 51
2.2. Построение геометрической модели очага деформации 51
2.3. Кинематически возможное поле скоростей течения металла 55
2.4. Граничные условия на контактной поверхности 57
2.5. Система основных уравнений и методика её решения 60
2.6. Среднее контактное давление и усилие прокатки 67
2.7. Численная реализация и экспериментальная проверка теоретических
решений 71
2.8. Определение закономерностей процесса прокатки двутавровых профилей в
универсальных калибрах 74
2.9. Выводы 85
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КАЛИБРОВОК ВАЛКОВ И
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ ДВУТАВРОВЫХ ПРОФИЛЕЙ 87
3.1. Общие положения 87
3.2. Определение числа проходов и составление схемы калибровки 87
3.3. Распределение коэффициентов вытяжки 97
3.4. Расчет формоизменения металла и определение размеров калибров 101
3.5. Расчет скоростного режима прокатки 104
3.6. Расчет температурного режима прокатки 113
3.7. Расчет энергосиловых параметров 114
3.8. Проверка ограничений режима прокатки 115
3.9. Выводы 116
4. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА
ПРОКАТКИ ДВУТАВРА 35Б2 НА НОВОМ УНИВЕРСАЛЬНОМ РЕЛЬСОБАЛОЧНОМ СТАНЕ 118
4.1. Исходные данные 118
4.2. Определение числа проходов и составление схемы калибровки.
Распределение коэффициентов вытяжки 120
4.3. Расчет формоизменения металла и определение размеров калибров 121
4.4. Расчет рационального скоростного режима прокатки 124
4.5. Моделирование температурных режимов прокатки и НДС металла 128
4.5.1. Методика компьютерного моделирования 128
4.5.2. Анализ результатов конечно-элементного моделирования 135
4.5.3. Температурный режим прокатки 136
4.5.4. Напряженное состояние металла 140
4.5.5. Деформированное состояние металла 141
4.6. Расчет энергосиловых параметров и динамического режима 145
4.7. Проверка ограничений режима прокатки 146
4.7.1. Прочность оборудования стана 146
4.7.2. Мощность электродвигателей привода рабочих клетей 146
4.7.3. Условия захвата металла валками 149
4.8. Выводы 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Результаты вычислительного эксперимента по определению закономерностей формоизменения и силовых воздействии в универсальных калибрах 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Калибровка валков непрерывно-реверсивной группы тандем универсального рельсобалочного стана для прокатки двутаврового профиля №35Б2 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Результаты компьютерного моделирования температурного и напряженно-деформированного состояния для условий прокатки двутаврового профиля №35Б2 на современном рельсобалочном стане 181
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Материалы использования результатов диссертации 191
Одним из наиболее распространенных видов проката строительного назначения являются горячекатаные стальные двутавровые балки. Профильный и марочный сортамент балок достаточно разнообразен [1, 2]: двутавровые балки с уклонами внутренних граней полок, двутавры с параллельными гранями полок (нормальные, широкополочные, колонные), тонкостенные балки с нормальными и узкими полками, балки специального назначения и другие виды двутавров. Балки изготавливают из углеродистых и низколегированных сталей.
Размеры двутавровых профилей различных типов изменяются в весьма широких пределах: высота (номер балки) - от 100 мм (№10) до 1000 мм (№100), ширина полок - от 55 до 400 мм, а отношение высоты профиля к ширине полок - от 1,0 (у колонных профилей) до 3,15 (у нормальных двутавров).
В зависимости от типа и размеров, двутавровые профили прокатывают на среднесортных (среднесортнобалочных), крупносортных и рельсобалочных станах с линейным, последовательным и непрерывным расположением прокатных клетей. Характерной особенностью таких станов является применение универсальных рабочих клетей с четырехвалковым калибром, образованным двумя горизонтальными валками для обжатия стенки двутавра и двумя вертикальными валками для обжатия полок. Универсальные калибры создают наиболее благоприятные условия для равномерной деформации элементов двутаврового профиля, что необходимо для получения высокого качества прокатываемых балок.
На станах указанных типов универсальные балочные клети используются в различных комбинациях. На полунепрерывных и непрерывных среднесортных станах применяют непрерывные группы в составе чередующихся универсальных и двухвалковых горизонтальных клетей [3-6], на балочных станах старого поколения универсальные клети располагают последовательно совместно с горизонтальными вспомогательными клетями дуо [7-9], на современных универсальных рельсобалочных станах устанавливают непрерывно-реверсивные группы тандем, состоящие из двух универсальных и расположенной между ними горизонтальной клети дуо [10-15]. Такие станы являются наиболее экономичными и позволяют прокатывать наиболее широкий сортамент двутавров.
В России первые станы такого типа установлены и в настоящее время осваиваются на ОАО «ЕВРАЗ-ЗСМК» (г. Новокузнецк) [12] и на Челябинском металлургическом комбинате (г. Челябинск ОАО «Мечел») [14]. Эффективность работы указанных станов зависит главным образом от рациональности и оптимальности технологических режимов прокатки в универсальных клетях. Поэтому при разработке калибровок валков и режимов обжатий в группах универсальных клетей необходимо использовать современные достижения теории. Исследованиям процесса прокатки двутавров в универсальных калибрах посвящены работы П.И. Полухина, А.П. Чекмарева, М.И. Бояршинова, Н.Ф. Грицука, И.Я. Тарновского, А.Н. Скороходова, Ф.Е. Долженкова, В.К. Смирнова, В.В. Бажутина, А.А. Митрофанова и др. ученых. Однако по современным требованиям теория прокатки двутавровых профилей в универсальных калибрах развита недостаточно. До настоящего времени при проектировании калибровок валков и технологических режимов прокатки применяются эмпирические формулы и эвристические приемы [4, 8], а также методы соответственной полосы [6]. Не рассчитывается и не анализируется напряженно-деформированное состояние (НДС) металла в элементах двутаврового профиля [6, 16], отсутствуют критерии равномерности деформации металла в поперечных сечениях раската.
Наиболее широкие возможности для совершенствования теории прокатки в калибрах представляют вариационные методы механики деформируемого тела [6]. Однако, несмотря на отдельные теоретические решения по исследованию процесса прокатки в универсальных балочных калибрах с применением вариационных принципов механики [17-22], комплексной математической модели формоизменения металла и энергосиловых параметров деформации при прокатке в универсальных калибрах практически не создано. Известные теоретические решения проведены с рядом допущений и упрощений вычислительного характера, что существенно снижает точность определения технологических параметров прокатки. Кроме того эти решения выполнены для изопериметрических условий деформации и не позволяют рассчитывать распределение температуры (температурные поля) по элементам двутаврового профиля. Предназначенные для этих целей известные методы конечных элементов (МКЭ), реализованные в современных программных комплексах Deform-3D, FORGE, ANSYS и др., до настоящего времени не нашли применения для моделирования температурных полей и НДС металла при прокатке двутавров.
Таким образом, существующее состояние теории прокатки в универсальных балочных калибрах ограничивает возможность создания научно обоснованной методики проектирования калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавровых профилей.
Изложенное выше позволяет считать актуальным проведение диссертационной работы с целью:
на основе применения вариационных принципов механики деформируемого тела и современных вычислительных и программных средств разработать математическую модель процесса прокатки двутавровых профилей в универсальных балочных калибрах и с использованием её создать научно обоснованную методику проектирования калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавров на современном универсальном рельсобалочном стане.
Диссертационная работа представляет часть исследований кафедры ОМД Уральского федерального университета, проводимых в соответствии со следующими государственными планами и программами:
- «Разработка научных основ физики и механики обработки металлов давлением с целью создания энерго- и ресурсосберегающих инновационных технологий производства металлургической продукции ответственного назначения» (государственное задание в сфере научной деятельности №11.1369.2014/K от 18.07.2014, № гос. регистрации 114122470051);
- «Создание новых технологических процессов, машин и систем автоматизированного проектирования в области обработки металлов давлением на основе современных достижений механики, прикладной математики и информатики» (программа Минвуза РФ, 2011-2013 г.);
- «Инновационные технологические процессы обработки металлов давлением» (Президентская программа повышения квалификации инженерных кадров, № гос. per. 55-2013-3-ЭФ, приказ по Минобрнауки России № 328 от 30.04.2013).
Материал диссертации изложен в 4-х главах.
В первой главе представлен аналитический обзор по теме диссертации. Выполнен анализ современного состояния и развития теории, технологии и оборудования при производстве двутавровых профилей, а также методов расчета технологических параметров прокатки двутавров. На основе такого анализа сформулирована цель, указанная выше, и определены задачи диссертационного исследования:
1. Поставить и решить вариационную задачу по определению параметров формоизменения металла (обжатия и приращения фланцев) и энергетических воздействий (давления, моменты, мощности) при прокатке двутавровых профилей в универсальном балочном калибре с равномерной деформацией (одинаковыми коэффициентами вытяжки) по стенке и полкам.
2. По результатам численного решения указанной задачи определить закономерности изменения параметров формоизменения и силовых воздействий в зависимости от исходных данных, характеризующих условия прокатки двутавров на сортовых и рельсобалочных станах. Получить систему инженерных формул для определения коэффициентов обжатия и приращения фланцев, контактного давления, усилий, крутящих моментов и мощности прокатки.
3. Провести проверку теоретических решений по экспериментальным данным.
4. На основе полученных результатов теоретических исследований разработать новую методику расчета калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавров, обеспечивающую получение равномерной деформации металла по элементам прокатываемого профиля.
5. Применить разработанную методику для проектирования калибровки валков и технологического режима прокатки одного из двутавровых профилей на современном универсальном рельсобалочном стане, снабженном непрерывно-реверсивной группой тандем.
6. Провести компьютерное моделирование рассчитанного технологического режима с анализом температурных полей и напряженно- деформированного состояния металла.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процесса прокатки двутавровых профилей в универсальных калибрах. На основе применения вариационного принципа минимума полной мощности и современных вычислительных средств решена задача по определению параметров формоизменения металла (обжатие и приращение фланцев) и энергозатрат (давление, мощность и крутящий момент) при заданном, одинаковом по шейке и фланцам коэффициенте вытяжки, что обеспечивает равномерность деформации элементов двутаврового профиля. Разработан новый теоретический метод расчета контактных давлений и усилий прокатки, основанный на использовании физических уравнений связи напряженного и деформированного состояния металла в очаге деформации. Результаты теоретических решений проверены по экспериментальным данным и представлены системой аппроксимирующих формул, которые достоверно определяют закономерности формоизменения и энергозатрат при прокатке двутавровых профилей в универсальных балочных калибрах и, в сущности, являются математической моделью рассматриваемого процесса.
В третьей главе на основе полученной математической модели разработана новая методика проектирования калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавров на сортовых и рельсобалочных станах, снабженных универсальными клетями. При этом получены регрессионные зависимости для определения числа универсальных калибров, средних и суммарных коэффициентов вытяжки, распределения коэффициентов вытяжки по проходам, разработаны рекомендации по выбору способа прокатки и составлению рациональной схемы калибровки. На уровне изобретений предложен новый способ прокатки двутавровых профилей в непрерывно-реверсивных группах клетей современных рельсобалочных станов. Составлен алгоритм расчета формоизменения металла и энергосиловых параметров в каждом проходе, разработана методика расчёта скоростных и температурных режимов прокатки, моделирования температурных полей и НДС металла в элементах прокатываемого профиля с применением метода конечных элементов в программном комплексе 1')е1'огт 31'). С учетом особенностей прокатки на универсальных рельсобалочных станах скорректирована известная система ограничений технологических режимов прокатки.
В четвертой главе диссертации представлен пример применения созданной методики для проектирования калибровки валков и технологического режима прокатки двутаврового профиля №35Б2 в условиях универсального рельсобалочного стана Челябинского металлургического комбината (ОАО «Мечел»). В результате разработана калибровка валков непрерывно-реверсивной группы тандем, характеризуемая равномерной деформацией металла (одинаковыми коэффициентами вытяжки) по шейке и фланцам в каждом универсальном калибре. Рассчитаны скоростные и динамические режимы прокатки по разработанной калибровке, проведено компьютерное моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния металла в программном комплексе 1)е1'огт 31). Определены закономерности изменения температуры, напряженного и деформированного состояния металла в поперечных сечениях и по длине раскатов. Показано, что деформированное состояние металла характеризуется равенством интенсивности деформаций по шейке и фланцам профиля, что является следствием исходного условия о равенстве коэффициентов вытяжки этих элементов и доказывает необходимость применения этого критерия в расчетах калибровок валков.
Показано, что разработанная калибровка удовлетворяет всем ограничениям и может быть реализована на рассматриваемом стане.
В приложениях к диссертации представлены результаты вычислительного эксперимента, чертежи рассчитанных калибров и эпюры температурных полей, напряжений и деформаций в поперечных сечениях раскатов для каждого прохода.
Научную новизну и теоретическую ценность представляют следующие разработки диссертации:
- постановка и решение вариационной задачи по определению формоизменения металла и энергосиловых параметров при прокатке двутаврового профиля в универсальном балочном калибре с равномерным распределением деформации по стенке и фланцам профиля при постоянном заданном коэффициенте вытяжки;
- закономерности изменения характеристик формоизменения (обжатие и приращение фланцев) и энергетических затрат (крутящий момент, мощность деформации) при прокатке в универсальных калибрах сортовых и рельсобалочных станов при изменении исходных условий прокатки в широких пределах, соответствующих промышленным прокатным станам;
- новый метод расчёта контактных давлений и усилий прокатки в универсальном балочном калибре, основанный на использовании физических уравнений связи напряженного и деформированного состояния металла в очаге деформации;
- система инженерных формул для расчёта формоизменения металла (обжатие и приращение фланцев) и энергосиловых параметров (контактные давления, силы, крутящий момент и др.), а также для определения основных параметров калибровки валков универсальных балочных станов.
Практическую ценность диссертации составляют следующие результаты:
- новая методика проектирования калибровок валков и технологических режимов при прокатке двутавровых профилей в универсальных калибрах, обеспечивающая получение равномерной деформации металла по элементам прокатываемого профиля и высокое качество двутавров;
- алгоритм расчёта калибровок валков непрерывно-реверсивных групп клетей тандем современных универсальных рельсобалочных станов с определением скоростного и температурного режима прокатки, проверкой ограничений и моделированием в программном комплексе ЭеГогш 3);
- новый способ прокатки двутавровых профилей в непрерывно-реверсивной группе тандем универсальных рельсобалочных станов;
- пример расчёта по разработанной методике калибровки валков и технологического режима прокатки двутавра №35Б2 в непрерывно-реверсивной группе тандем универсального рельсобалочного стана Челябинского металлургического комбината (УРБС ЧМК);
- результаты моделирования в программном комплексе 1)е1'огт 31) температурных полей и напряженно-деформированного состояния металла при прокатке по разработанной калибровке (эпюры температурных полей, напряжений и деформаций в поперечных сечениях прокатываемых полос в каждом проходе).
Методы исследования: вариационные методы механики деформируемого тела; методы планирования рационального вычислительного эксперимента; статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента с использованием аппарата корреляционно-регрессионного анализа; методы МКЭ- моделирования процесса прокатки двутавровых профилей в универсальных калибрах в программном комплексе Пе£огш-3П.
На защиту выносятся:
- математическая модель процесса прокатки двутавровых профилей в универсальных калибрах;
- методика расчёта калибровок валков и технологических режимов при прокатке двутавровых профилей на универсальных рельсобалочных станах;
- закономерности изменения формоизменения металла и энергосиловых параметров прокатки в универсальных балочных калибрах;
- новый способ расчёта контактных давлений при прокатке в универсальных калибрах;
- тестовый пример расчёта калибровки валков и технологических режимов прокатки двутавра №35Б2 в условиях универсального рельсобалочного стана ОАО «ЧМК».
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается проверкой расчетных параметров по опытным данным других авторов и соответствием рассчитанной тестовой калибровки ограничениям в условиях универсального рельсобалочного стана ОАО «ЧМК».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 10-я международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ’ 13). СПбГПУ: - г. Санкт-Петербург, 2013. Седьмая международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении»: - г. Екатеринбург, 2013. Международный научно-технический конгресс «ОМД-2014. Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии»: -г. Москва, 2014. XV международная научная конференция «Новые технологии и достижения в металлургии и инженерии материалов и процессов»: - г. Ченстохова (Польша), 2014. Восьмая международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении»: - г. Екатеринбург, 2014. X международный конгресс прокатчиков: - г. Липецк, 2015.
В целом разработанные научные положения и результаты диссертации направлены на решение задачи развития теории и технологии процесса прокатки двутавровых профилей на универсальных рельсобалочных станах с целью повышения качества продукции.
Размеры двутавровых профилей различных типов изменяются в весьма широких пределах: высота (номер балки) - от 100 мм (№10) до 1000 мм (№100), ширина полок - от 55 до 400 мм, а отношение высоты профиля к ширине полок - от 1,0 (у колонных профилей) до 3,15 (у нормальных двутавров).
В зависимости от типа и размеров, двутавровые профили прокатывают на среднесортных (среднесортнобалочных), крупносортных и рельсобалочных станах с линейным, последовательным и непрерывным расположением прокатных клетей. Характерной особенностью таких станов является применение универсальных рабочих клетей с четырехвалковым калибром, образованным двумя горизонтальными валками для обжатия стенки двутавра и двумя вертикальными валками для обжатия полок. Универсальные калибры создают наиболее благоприятные условия для равномерной деформации элементов двутаврового профиля, что необходимо для получения высокого качества прокатываемых балок.
На станах указанных типов универсальные балочные клети используются в различных комбинациях. На полунепрерывных и непрерывных среднесортных станах применяют непрерывные группы в составе чередующихся универсальных и двухвалковых горизонтальных клетей [3-6], на балочных станах старого поколения универсальные клети располагают последовательно совместно с горизонтальными вспомогательными клетями дуо [7-9], на современных универсальных рельсобалочных станах устанавливают непрерывно-реверсивные группы тандем, состоящие из двух универсальных и расположенной между ними горизонтальной клети дуо [10-15]. Такие станы являются наиболее экономичными и позволяют прокатывать наиболее широкий сортамент двутавров.
В России первые станы такого типа установлены и в настоящее время осваиваются на ОАО «ЕВРАЗ-ЗСМК» (г. Новокузнецк) [12] и на Челябинском металлургическом комбинате (г. Челябинск ОАО «Мечел») [14]. Эффективность работы указанных станов зависит главным образом от рациональности и оптимальности технологических режимов прокатки в универсальных клетях. Поэтому при разработке калибровок валков и режимов обжатий в группах универсальных клетей необходимо использовать современные достижения теории. Исследованиям процесса прокатки двутавров в универсальных калибрах посвящены работы П.И. Полухина, А.П. Чекмарева, М.И. Бояршинова, Н.Ф. Грицука, И.Я. Тарновского, А.Н. Скороходова, Ф.Е. Долженкова, В.К. Смирнова, В.В. Бажутина, А.А. Митрофанова и др. ученых. Однако по современным требованиям теория прокатки двутавровых профилей в универсальных калибрах развита недостаточно. До настоящего времени при проектировании калибровок валков и технологических режимов прокатки применяются эмпирические формулы и эвристические приемы [4, 8], а также методы соответственной полосы [6]. Не рассчитывается и не анализируется напряженно-деформированное состояние (НДС) металла в элементах двутаврового профиля [6, 16], отсутствуют критерии равномерности деформации металла в поперечных сечениях раската.
Наиболее широкие возможности для совершенствования теории прокатки в калибрах представляют вариационные методы механики деформируемого тела [6]. Однако, несмотря на отдельные теоретические решения по исследованию процесса прокатки в универсальных балочных калибрах с применением вариационных принципов механики [17-22], комплексной математической модели формоизменения металла и энергосиловых параметров деформации при прокатке в универсальных калибрах практически не создано. Известные теоретические решения проведены с рядом допущений и упрощений вычислительного характера, что существенно снижает точность определения технологических параметров прокатки. Кроме того эти решения выполнены для изопериметрических условий деформации и не позволяют рассчитывать распределение температуры (температурные поля) по элементам двутаврового профиля. Предназначенные для этих целей известные методы конечных элементов (МКЭ), реализованные в современных программных комплексах Deform-3D, FORGE, ANSYS и др., до настоящего времени не нашли применения для моделирования температурных полей и НДС металла при прокатке двутавров.
Таким образом, существующее состояние теории прокатки в универсальных балочных калибрах ограничивает возможность создания научно обоснованной методики проектирования калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавровых профилей.
Изложенное выше позволяет считать актуальным проведение диссертационной работы с целью:
на основе применения вариационных принципов механики деформируемого тела и современных вычислительных и программных средств разработать математическую модель процесса прокатки двутавровых профилей в универсальных балочных калибрах и с использованием её создать научно обоснованную методику проектирования калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавров на современном универсальном рельсобалочном стане.
Диссертационная работа представляет часть исследований кафедры ОМД Уральского федерального университета, проводимых в соответствии со следующими государственными планами и программами:
- «Разработка научных основ физики и механики обработки металлов давлением с целью создания энерго- и ресурсосберегающих инновационных технологий производства металлургической продукции ответственного назначения» (государственное задание в сфере научной деятельности №11.1369.2014/K от 18.07.2014, № гос. регистрации 114122470051);
- «Создание новых технологических процессов, машин и систем автоматизированного проектирования в области обработки металлов давлением на основе современных достижений механики, прикладной математики и информатики» (программа Минвуза РФ, 2011-2013 г.);
- «Инновационные технологические процессы обработки металлов давлением» (Президентская программа повышения квалификации инженерных кадров, № гос. per. 55-2013-3-ЭФ, приказ по Минобрнауки России № 328 от 30.04.2013).
Материал диссертации изложен в 4-х главах.
В первой главе представлен аналитический обзор по теме диссертации. Выполнен анализ современного состояния и развития теории, технологии и оборудования при производстве двутавровых профилей, а также методов расчета технологических параметров прокатки двутавров. На основе такого анализа сформулирована цель, указанная выше, и определены задачи диссертационного исследования:
1. Поставить и решить вариационную задачу по определению параметров формоизменения металла (обжатия и приращения фланцев) и энергетических воздействий (давления, моменты, мощности) при прокатке двутавровых профилей в универсальном балочном калибре с равномерной деформацией (одинаковыми коэффициентами вытяжки) по стенке и полкам.
2. По результатам численного решения указанной задачи определить закономерности изменения параметров формоизменения и силовых воздействий в зависимости от исходных данных, характеризующих условия прокатки двутавров на сортовых и рельсобалочных станах. Получить систему инженерных формул для определения коэффициентов обжатия и приращения фланцев, контактного давления, усилий, крутящих моментов и мощности прокатки.
3. Провести проверку теоретических решений по экспериментальным данным.
4. На основе полученных результатов теоретических исследований разработать новую методику расчета калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавров, обеспечивающую получение равномерной деформации металла по элементам прокатываемого профиля.
5. Применить разработанную методику для проектирования калибровки валков и технологического режима прокатки одного из двутавровых профилей на современном универсальном рельсобалочном стане, снабженном непрерывно-реверсивной группой тандем.
6. Провести компьютерное моделирование рассчитанного технологического режима с анализом температурных полей и напряженно- деформированного состояния металла.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процесса прокатки двутавровых профилей в универсальных калибрах. На основе применения вариационного принципа минимума полной мощности и современных вычислительных средств решена задача по определению параметров формоизменения металла (обжатие и приращение фланцев) и энергозатрат (давление, мощность и крутящий момент) при заданном, одинаковом по шейке и фланцам коэффициенте вытяжки, что обеспечивает равномерность деформации элементов двутаврового профиля. Разработан новый теоретический метод расчета контактных давлений и усилий прокатки, основанный на использовании физических уравнений связи напряженного и деформированного состояния металла в очаге деформации. Результаты теоретических решений проверены по экспериментальным данным и представлены системой аппроксимирующих формул, которые достоверно определяют закономерности формоизменения и энергозатрат при прокатке двутавровых профилей в универсальных балочных калибрах и, в сущности, являются математической моделью рассматриваемого процесса.
В третьей главе на основе полученной математической модели разработана новая методика проектирования калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавров на сортовых и рельсобалочных станах, снабженных универсальными клетями. При этом получены регрессионные зависимости для определения числа универсальных калибров, средних и суммарных коэффициентов вытяжки, распределения коэффициентов вытяжки по проходам, разработаны рекомендации по выбору способа прокатки и составлению рациональной схемы калибровки. На уровне изобретений предложен новый способ прокатки двутавровых профилей в непрерывно-реверсивных группах клетей современных рельсобалочных станов. Составлен алгоритм расчета формоизменения металла и энергосиловых параметров в каждом проходе, разработана методика расчёта скоростных и температурных режимов прокатки, моделирования температурных полей и НДС металла в элементах прокатываемого профиля с применением метода конечных элементов в программном комплексе 1')е1'огт 31'). С учетом особенностей прокатки на универсальных рельсобалочных станах скорректирована известная система ограничений технологических режимов прокатки.
В четвертой главе диссертации представлен пример применения созданной методики для проектирования калибровки валков и технологического режима прокатки двутаврового профиля №35Б2 в условиях универсального рельсобалочного стана Челябинского металлургического комбината (ОАО «Мечел»). В результате разработана калибровка валков непрерывно-реверсивной группы тандем, характеризуемая равномерной деформацией металла (одинаковыми коэффициентами вытяжки) по шейке и фланцам в каждом универсальном калибре. Рассчитаны скоростные и динамические режимы прокатки по разработанной калибровке, проведено компьютерное моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния металла в программном комплексе 1)е1'огт 31). Определены закономерности изменения температуры, напряженного и деформированного состояния металла в поперечных сечениях и по длине раскатов. Показано, что деформированное состояние металла характеризуется равенством интенсивности деформаций по шейке и фланцам профиля, что является следствием исходного условия о равенстве коэффициентов вытяжки этих элементов и доказывает необходимость применения этого критерия в расчетах калибровок валков.
Показано, что разработанная калибровка удовлетворяет всем ограничениям и может быть реализована на рассматриваемом стане.
В приложениях к диссертации представлены результаты вычислительного эксперимента, чертежи рассчитанных калибров и эпюры температурных полей, напряжений и деформаций в поперечных сечениях раскатов для каждого прохода.
Научную новизну и теоретическую ценность представляют следующие разработки диссертации:
- постановка и решение вариационной задачи по определению формоизменения металла и энергосиловых параметров при прокатке двутаврового профиля в универсальном балочном калибре с равномерным распределением деформации по стенке и фланцам профиля при постоянном заданном коэффициенте вытяжки;
- закономерности изменения характеристик формоизменения (обжатие и приращение фланцев) и энергетических затрат (крутящий момент, мощность деформации) при прокатке в универсальных калибрах сортовых и рельсобалочных станов при изменении исходных условий прокатки в широких пределах, соответствующих промышленным прокатным станам;
- новый метод расчёта контактных давлений и усилий прокатки в универсальном балочном калибре, основанный на использовании физических уравнений связи напряженного и деформированного состояния металла в очаге деформации;
- система инженерных формул для расчёта формоизменения металла (обжатие и приращение фланцев) и энергосиловых параметров (контактные давления, силы, крутящий момент и др.), а также для определения основных параметров калибровки валков универсальных балочных станов.
Практическую ценность диссертации составляют следующие результаты:
- новая методика проектирования калибровок валков и технологических режимов при прокатке двутавровых профилей в универсальных калибрах, обеспечивающая получение равномерной деформации металла по элементам прокатываемого профиля и высокое качество двутавров;
- алгоритм расчёта калибровок валков непрерывно-реверсивных групп клетей тандем современных универсальных рельсобалочных станов с определением скоростного и температурного режима прокатки, проверкой ограничений и моделированием в программном комплексе ЭеГогш 3);
- новый способ прокатки двутавровых профилей в непрерывно-реверсивной группе тандем универсальных рельсобалочных станов;
- пример расчёта по разработанной методике калибровки валков и технологического режима прокатки двутавра №35Б2 в непрерывно-реверсивной группе тандем универсального рельсобалочного стана Челябинского металлургического комбината (УРБС ЧМК);
- результаты моделирования в программном комплексе 1)е1'огт 31) температурных полей и напряженно-деформированного состояния металла при прокатке по разработанной калибровке (эпюры температурных полей, напряжений и деформаций в поперечных сечениях прокатываемых полос в каждом проходе).
Методы исследования: вариационные методы механики деформируемого тела; методы планирования рационального вычислительного эксперимента; статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента с использованием аппарата корреляционно-регрессионного анализа; методы МКЭ- моделирования процесса прокатки двутавровых профилей в универсальных калибрах в программном комплексе Пе£огш-3П.
На защиту выносятся:
- математическая модель процесса прокатки двутавровых профилей в универсальных калибрах;
- методика расчёта калибровок валков и технологических режимов при прокатке двутавровых профилей на универсальных рельсобалочных станах;
- закономерности изменения формоизменения металла и энергосиловых параметров прокатки в универсальных балочных калибрах;
- новый способ расчёта контактных давлений при прокатке в универсальных калибрах;
- тестовый пример расчёта калибровки валков и технологических режимов прокатки двутавра №35Б2 в условиях универсального рельсобалочного стана ОАО «ЧМК».
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается проверкой расчетных параметров по опытным данным других авторов и соответствием рассчитанной тестовой калибровки ограничениям в условиях универсального рельсобалочного стана ОАО «ЧМК».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 10-я международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ’ 13). СПбГПУ: - г. Санкт-Петербург, 2013. Седьмая международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении»: - г. Екатеринбург, 2013. Международный научно-технический конгресс «ОМД-2014. Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии»: -г. Москва, 2014. XV международная научная конференция «Новые технологии и достижения в металлургии и инженерии материалов и процессов»: - г. Ченстохова (Польша), 2014. Восьмая международная молодежная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении»: - г. Екатеринбург, 2014. X международный конгресс прокатчиков: - г. Липецк, 2015.
В целом разработанные научные положения и результаты диссертации направлены на решение задачи развития теории и технологии процесса прокатки двутавровых профилей на универсальных рельсобалочных станах с целью повышения качества продукции.
В результате выполненной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:
1. Разработана математическая модель численного решения вариационной задачи по определению формоизменения металла и энергосиловых параметров при прокатке двутаврового профиля в универсальном балочном калибре с получением равномерного распределения деформации по стенке и полкам.
2. Разработан новый метод расчёта контактного давления и усилий прокатки в универсальном балочном калибре, основанный на использовании физических уравнений связи напряжённого и деформированного состояния металла в очаге деформации.
3. Проведены спланированные численные расчёты по определению закономерностей изменения характеристик деформации (обжатие и приращение фланцев) и энергосиловых параметров (давление, крутящий момент, мощность деформации) в зависимости от исходных критериев, характеризующих условия прокатки на рельсобалочных и сортовых станах. Получена система инженерных формул для расчёта указанных параметров при проектировании технологических режимов прокатки.
4. Проведён статистический анализ действующих калибровок валков универсальных балочных станов. Получены уравнения регрессии для определения характерных параметров калибровки: числа универсальных калибров, средних и суммарных коэффициентов вытяжки, распределения коэффициентов вытяжки по проходам и др.
5. На основе разработанных математических моделей и полученных регрессионных зависимостей разработана новая, научно обоснованная методика расчёта калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавровых профилей. Составлен алгоритм расчёта калибровок валков непрерывно- реверсивных групп тандем современных универсальных рельсобалочных станов с учётом скоростных режимов и системы ограничений.
6. Разработан способ прокатки двутавровых профилей в непрерывно-реверсивной группе тандем современного рельсобалочного стана. Направлена в Роспатент РФ заявка на изобретение № 2014130562 с приоритетом от 22.07.2014. Определены критерии использования этого способа в зависимости от требований к технологическому процессу.
7. Разработана методика компьютерного моделирования в программном комплексе 1')е1'огт-31') температурных режимов и напряжённо-деформированного состояния металла при прокатке двутаврового профиля.
8. С применением созданной методики расчёта калибровок валков и нового способа прокатки балок разработана калибровка валков и технологический режим прокатки двутавра 35Б2 в непрерывно-реверсивной группе тандем современного рельсобалочного стана (Приложение 2), применительно к условиям УРБС Челябинского металлургического комбината.
9. Проведено компьютерное моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния металла при прокатке по разработанной калибровке. Получены эпюры температурных полей, напряжений и деформаций в поперечных сечениях раската для каждого прохода (Приложение 3, рисунок 4.9). Установлены закономерности изменения температурного и напряжённо-деформированного состояния металла по длине и в поперечных сечениях (рисунки 4.9-4.15). Предложен способ охлаждения полок прокатываемого профиля с целью уменьшения температурной неоднородности в месте стыка шейки и полок.
10. Показано, что деформированное состояние металла при прокатке по разработанной калибровке характеризуется равенством интенсивности деформаций по шейке и фланцам в каждом универсальном калибре. Доказано, что это равенство достигается за счёт того, что в основу методики расчёта калибровок валков заложено равенство коэффициентов вытяжки по шейке и фланцам. Таким образом, это условие является необходимым для получения равномерной деформации металла по элементам двутаврового профиля.
11. По материалам диссертации составлено учебное пособие по разработке калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавров в непрерывно-реверсивных группах клетей тандем современных универсальных балочных станов для студентов, обучающих по направлению «Металлургия» (Приложение 4).
Перспективы дальнейшей разработки темы. Разработанные в диссертации основные положения и методики расчета рекомендуется в перспективе использовать для проектирования технологии прокатки двутавровых профилей различных типов, а также других фасонных профилей (швеллеров, уголков, рельсов) на непрерывно-реверсивных станах рассмотренного типа.
В целом в диссертационной работе решена задача развития теории и совершенствования методики расчёта технологических режимов прокатки двутавровых профилей за счёт применения фундаментальных положений теории пластичности и современных средств математического моделирования, что имеет существенное значение для теории и практики обработки металлов давлением.
1. Разработана математическая модель численного решения вариационной задачи по определению формоизменения металла и энергосиловых параметров при прокатке двутаврового профиля в универсальном балочном калибре с получением равномерного распределения деформации по стенке и полкам.
2. Разработан новый метод расчёта контактного давления и усилий прокатки в универсальном балочном калибре, основанный на использовании физических уравнений связи напряжённого и деформированного состояния металла в очаге деформации.
3. Проведены спланированные численные расчёты по определению закономерностей изменения характеристик деформации (обжатие и приращение фланцев) и энергосиловых параметров (давление, крутящий момент, мощность деформации) в зависимости от исходных критериев, характеризующих условия прокатки на рельсобалочных и сортовых станах. Получена система инженерных формул для расчёта указанных параметров при проектировании технологических режимов прокатки.
4. Проведён статистический анализ действующих калибровок валков универсальных балочных станов. Получены уравнения регрессии для определения характерных параметров калибровки: числа универсальных калибров, средних и суммарных коэффициентов вытяжки, распределения коэффициентов вытяжки по проходам и др.
5. На основе разработанных математических моделей и полученных регрессионных зависимостей разработана новая, научно обоснованная методика расчёта калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавровых профилей. Составлен алгоритм расчёта калибровок валков непрерывно- реверсивных групп тандем современных универсальных рельсобалочных станов с учётом скоростных режимов и системы ограничений.
6. Разработан способ прокатки двутавровых профилей в непрерывно-реверсивной группе тандем современного рельсобалочного стана. Направлена в Роспатент РФ заявка на изобретение № 2014130562 с приоритетом от 22.07.2014. Определены критерии использования этого способа в зависимости от требований к технологическому процессу.
7. Разработана методика компьютерного моделирования в программном комплексе 1')е1'огт-31') температурных режимов и напряжённо-деформированного состояния металла при прокатке двутаврового профиля.
8. С применением созданной методики расчёта калибровок валков и нового способа прокатки балок разработана калибровка валков и технологический режим прокатки двутавра 35Б2 в непрерывно-реверсивной группе тандем современного рельсобалочного стана (Приложение 2), применительно к условиям УРБС Челябинского металлургического комбината.
9. Проведено компьютерное моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния металла при прокатке по разработанной калибровке. Получены эпюры температурных полей, напряжений и деформаций в поперечных сечениях раската для каждого прохода (Приложение 3, рисунок 4.9). Установлены закономерности изменения температурного и напряжённо-деформированного состояния металла по длине и в поперечных сечениях (рисунки 4.9-4.15). Предложен способ охлаждения полок прокатываемого профиля с целью уменьшения температурной неоднородности в месте стыка шейки и полок.
10. Показано, что деформированное состояние металла при прокатке по разработанной калибровке характеризуется равенством интенсивности деформаций по шейке и фланцам в каждом универсальном калибре. Доказано, что это равенство достигается за счёт того, что в основу методики расчёта калибровок валков заложено равенство коэффициентов вытяжки по шейке и фланцам. Таким образом, это условие является необходимым для получения равномерной деформации металла по элементам двутаврового профиля.
11. По материалам диссертации составлено учебное пособие по разработке калибровок валков и технологических режимов прокатки двутавров в непрерывно-реверсивных группах клетей тандем современных универсальных балочных станов для студентов, обучающих по направлению «Металлургия» (Приложение 4).
Перспективы дальнейшей разработки темы. Разработанные в диссертации основные положения и методики расчета рекомендуется в перспективе использовать для проектирования технологии прокатки двутавровых профилей различных типов, а также других фасонных профилей (швеллеров, уголков, рельсов) на непрерывно-реверсивных станах рассмотренного типа.
В целом в диссертационной работе решена задача развития теории и совершенствования методики расчёта технологических режимов прокатки двутавровых профилей за счёт применения фундаментальных положений теории пластичности и современных средств математического моделирования, что имеет существенное значение для теории и практики обработки металлов давлением.



