ВВЕДЕНИЕ 4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1. История и особенности производства трансформаторных сталей 10
1.2. Варианты технологии производства трансформаторных сталей 14
1.3. Нормируемые свойства и классификация трансформаторной стали 17
1.4. Роль и особенности процесса холодной прокатки в производстве
электротехнических сталей 19
1.4.1. Влияние параметров холодной прокатки на магнитные свойства 19
1.4.2. Формирование плоскостности проката из электротехнической стали . 24
1.4.3. Проблема обрабатываемости электротехнических сталей при холодной
прокатке 30
1.5. Выводы по разделу и постановка задач исследования 38
2. НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗОТРОПНОЙ
ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СТАЛИ ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ 41
2.1. Постановка и описание методики решения краевой задачи 41
2.2. Исследование кинематики очага деформации и энергосиловых
параметров 44
2.2.1. Влияние условий трения на контактной поверхности 44
2.2.2. Влияние приложенного к полосе натяжения 53
2.3. Исследование влияния напряжённого состояния на структурные и
текстурные параметры 56
2.3. Выводы по разделу 63
3. НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
АНИЗОТРОПНОЙ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СТАЛИ ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ 64
3.1. Исследование механических свойств трансформаторной стали 64
3.1.1. Аппроксимация зависимости сопротивления деформации от
деформации и скорости деформации 64
3.1.2. Оценка анизотропии механических свойств трансформаторной стали в
холоднокатаном состоянии 68
3.2. Тестовое решение задачи деформации анизотропного материала 74
3.3. Влияние анизотропии свойств на напряженно-деформированное
состояние при прокатке трансформаторной стали 81
3.4. Выводы по разделу 86
4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СТАЛИ
88
4.1. Исследование процесса формирования плоскостности трансформаторной
стали в промышленных условиях 88
4.2. Разработка математической модели холодной прокатки и улучшение
плоскостности трансформаторной стали 101
4.3. Выводы по разделу 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 116
ПРИЛОЖЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Электротехническая анизотропная сталь (ЭАС) или трансформаторная сталь представляет собой кремнистую, холоднокатаную сталь, которая обладает уникальными магнитными свойствами вдоль направления прокатки, что обусловлено наличием в ней «ребровой» текстуры вторичной рекристаллизации {110}<001> (текстуры Госса). Данный материал главным образом используется в производстве магнитопроводов и магнитоактивных частей разнообразных
электротехнических устройств, поэтому качество данного материала во многом определяет эффективность функционирования энергетической отрасли в целом. Постоянное ужесточение требований потребителей трансформаторной стали к её качеству и усиление конкуренции на мировом рынке электротехнических сталей предопределяет необходимость выполнения отечественными производителями исследовательских работ по анализу существующего производственного процесса и рационализации режимов обработки.
В связи с вышесказанным является актуальной задачей исследование напряжённо-деформированного состояния процесса листовой прокатки трансформаторной стали.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время в области обработки металлов давлением наиболее обоснованно и полно выполнено решение краевых задач пластической деформации изотропных материалов. Менее изученными являются процессы деформации анизотропных материалов, к которым относятся многие магнитомягкие материалы, в том числе прокат из трансформаторной стали.
В настоящей работе выполнено решение краевой задачи механики обработки металлов давлением для процесса холодной прокатки трансформаторной стали. Исследование выполнено для материала, обладающего анизотропией механических свойств. На основе полученных данных выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния и энергосиловых параметров процесса холодной листовой прокатки трансформаторной стали для условий реального производства, уточнены связи режимов обработки с физико-механическими свойствами готовой продукции.
Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния процесса холодной прокатки электротехнической анизотропной стали и его влияния на энергосиловые параметры и геометрические характеристики листового проката.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
Исследовать механические свойства электротехнической анизотропной стали.
Осуществить постановку и решение краевой задачи, описывающей кинематику и напряжённо-деформированное состояние очага деформации для процесса тонколистовой холодной прокатки трансформаторной стали в изотропном и анизотропном состоянии.
На основании полученных данных разработать математическую модель расчёта энергосиловых параметров тонколистовой холодной прокатки трансформаторной стали, адаптированную для условий промышленной прокатки.
Выполнить анализ действующих промышленных процессов обработки проката из трансформаторной стали и разработать технологические мероприятия по совершенствованию технологии производства.
Постановка цели и задач настоящей работы соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», утверждённому приказом Президента России от 7 июля 2011 года № 899, а также приоритетным направлениям развития УрФУ:
«Металлургия» и «Новые материалы и материаловедение».
Научная новизна работы состоит в разработке методики оценки сопротивления деформации анизотропного материала и получении новых данных о реологических свойствах электротехнической анизотропной стали.
Теоретическая значимость работы состоит в решении краевой задачи холодной прокатки анизотропного материала, получении данных о напряжённо-деформированном состоянии и кинематике очага деформации.
Практическая значимость работы состоит в выявлении связей между режимами обработки трансформаторной стали и её эксплуатационными свойствами, а также в разработке технологических мероприятий по совершенствованию технологии производства в условиях цеха холодной прокатки (ЦХП) ООО «ВИЗ-Сталь».
Методология исследования построена на основных концепциях механики обработки металлов давлением, в том числе на применении теорий пластичности изотропного материала (уравнение Мизеса) и анизотропного материала (уравнение Хилла) при использовании следующих методов: испытания механических свойств металлических материалов, конечно-элементного моделирования, планирования вычислительных и промышленных экспериментов, статистической обработки опытных данных.
Методы исследования включают:
Оценку деформационного и скоростного упрочнения анизотропной электротехнической стали для реального процесса холодной прокатки.
Определение анизотропии механических свойств
трансформаторной стали промышленного производства при испытаниях на микротвердость образцов из тонкого холоднокатаного листа в различных направлениях относительно системы координат процесса прокатки.
Решение краевых задач холодной прокатки трансформаторной
стали методом конечных элементов в программном модуле Deform 3D с целью определения кинематики и напряженно-деформированного состояния очага деформации.
Совершенствование действующей технологии производства трансформаторной стали с использованием методов планирования экспериментов и статистической обработки опытных данных.
Положения, выносимые на защиту:
Коэффициенты уравнения пластичности Хилла для
анизотропного материала, полученные для трансформаторной стали.
Параметры нейтрального сечения очага деформации для
процесса тонколистовой холодной прокатки трансформаторной стали в зависимости от факторов трения на контактной поверхности и натяжения
полосы.
Особенности напряжённо-деформированного состояния очага
деформации при прокатке электротехнической стали с учётом анизотропии её механических свойств.
Математическая модель энергосиловых параметров холодной прокатки трансформаторной стали на основе уточненных сведений о механических свойствах обрабатываемого материала и адаптации для существующих промышленных условий.
В результате выполненной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты.
1. Решение краевой задачи холодной прокатки трансформаторной стали в изотропном состоянии показало, что параметры трения и натяжения полосы оказывают существенное влияние на кинематику очага деформации. Выявлено, что нейтральное сечение в очаге деформации при холодной прокатке трансформаторной стали не является плоским, с ростом коэффициента трения происходит увеличение изгиба нейтрального сечения в сторону входа полосы в валки по экспоненциальному закону.
2. Использование гипотезы плоских сечений при расчёте энергосиловых параметров прокатки трансформаторной стали даёт заниженный результат. При учёте отклонения формы нейтральной поверхности от плоского сечения величина расчетного давления прокатки трансформаторной стали превышает аналогичный параметр, вычисленный теоретически с применением гипотезы плоских сечений в среднем на 24 %.
3. Физическое и численное исследование очага деформации показало, что параметры напряженно-деформированного состояния значимо влияют на формирование мезоструктуры и развитие текстуры трансформаторной стали при холодной прокатке.
4. В результате исследования механических свойств трансформаторной стали было выявлено, что скоростное упрочнение существенно влияет на сопротивление деформации данного материала при холодной деформации. Получена формула, аппроксимирующая деформационное и скоростное упрочнение трансформаторной стали при холодной деформации.
5. Экспериментально установлена разница в значениях твердости образцов трансформаторной стали, измеренных в различных направлениях относительно плоскости холоднокатаного листа. Установлено, что материал является анизотропным, наибольшая относительная разница механических свойств в плоскости листа составила 7 %.
6. На основании экспериментальных данных для трансформаторной стали сделана оценка параметров упрочнения в условии текучести Хилла.
7. Решение краевой задачи холодной прокатки трансформаторной стали в анизотропном состоянии показало, что учет анизотропии приводит к увеличению продольных напряжений на 40 % по отношению к прокатке изотропной среды. Выявлено, что при прокатке анизотропной стали коэффициент вытяжки оказывается несколько ниже, чем при прокатке изотропной полосы. В тоже время для случая прокатки анизотропного материала меньшее удлинение связано с большим уширением металла.
8. В условиях действующего производства ООО «ВИЗ-Сталь» (группа компаний НЛМК) исследовано изменение параметров плоскостности тонколистовой трансформаторной стали во время операций холодной прокатки и термической обработки.
9. Установлено, что ухудшение плоскостности проката из трансформаторной стали в значительной степени обусловлено термическими деформациями полосы, которые реализуются в металле во время отжига рулонов в колпаковых печах, выполнена количественная оценка этих деформаций.
10. Показано, что причиной формирования термических деформаций при отжиге трансформаторной стали является наличие значительных градиентов в температурном поле рулона. Предложен и экспериментально опробован способ измерения температурных градиентов рулона при отжиге в колпаковых печах.
11. Разработана математическая модель холодной прокатки трансформаторной стали на основе уточненных сведений о механических свойствах обрабатываемого материала. Модель адаптирована для условий прокатки на действующем реверсивном стане и обеспечивает высокую точность при определении энергосиловых параметров. Модель использована для оптимизации действующего режима холодной прокатки.
12. Предложен новый, оптимизированный режим холодной прокатки трансформаторной стали, обеспечивающий получение полос с уменьшением величины коэффициента вытяжки полосы от кромок к центру по параболическому закону. Новый режим позволяет частично скомпенсировать термические деформации при высокотемпературном отжиге и значительно улучшить плоскостность готовой продукции. Разработанный режим прокатки принят к использованию в действующем производстве ООО «ВИЗ-Сталь» (группа компаний НЛМК).
Перспективы дальнейшей проработки темы. Разработанные в диссертации основные положения и методики рекомендуется в перспективе использовать для проектирования новых и совершенствования действующих технологических режимов холодной прокатки электротехнической динамной и трансформаторной стали.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
