Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

380

Рис.5. Изменение размеров кристаллов Si

по радиусу прутка Ø94 мм

после 1-ой прокатки

Рис.6. Изменение размеров кристаллов Si

по радиусу прутка Ø70 мм

после 2-х прокаток

На рисунке 5 видно, что наибольшее количество кристаллов кремния размером 10-20 мкм

сосредоточено в периферической части прокатанного прутка, что является следствием наиболее

интенсивной деформации при ПВП именно во внешних слоях заготовки, что также подтверждает-

ся и проведенным нами моделированием процесса поперечно-винтовой прокатки с помощью ме-

тода конечных элементов (рис. 7). Дальнейшее пластическое деформирование прутка из заэвтек-

тического силумина (рис.6) не приводит к значительному измельчению кристаллов кремния. При

этом разница в структуре распределения кристаллов кремния по сечению минимизируется, позво-

ляя получать прутки с однородными свойствами и повышенной пластичностью.

Скручивание - 0

Продольное сечение.

0 мм от оси прокатки

Скручивание - 15

Продольное сечение.

10 мм от оси прокатки

Скручивание - 28

Продольное сечение.

20 мм от оси прокатки

Скручивание - 40

Продольное сечение.

30 мм от оси прокатки

Рис. 7. Скручивание конечноэлементной сетки при ПВП в объеме заготовки ø120мм→ø80

мм.

ANSYS/LS-DYNA

Выводы:

1. Установленная зависимость радиальных, осевых и тангенциальных напряжений от сте-

пени деформации при ПВП позволила научно обосновать режимы деформации для получения

мелкозернистой структуры сплава 01390 без осевого или кольцевого разрушения заготовки. Осу-

ществлена прокатка малопластичного сплава 01390 в трехвалковом стане ПВП без нарушения

сплошности, что позволило получить достаточно однородную мелкозернистую структуру (10-20

мкм) и повысить пластические свойства в 3-3,5 раза.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

381

Установлено, что при многопроходной поперечно-винтовой прокатке сплава 01390

средний размер кристаллов кремния остается равным 10 – 20 мкм. Выявленный эффект «насыще-

ния», выражается в том, что после двух прокаток с общей вытяжкой больше 2,5 не происходит

дальнейшего измельчения содержащихся в сплаве кристаллов кремния.

Исследованное напряженно-деформированное состояние металла при ПВП, проведенное

с учетом скручивания заготовки, позволило определить и подтвердить данные других авторов, что

при поперечно-винтовой прокатке наиболее интенсивно деформируются периферические и сред-

ние слои деформируемой заготовки, что также было подтверждено экспериментальным исследо-

ванием степени измельчения кристаллов кремния по радиусу заготовки.

4. Применение разработанного современного программно-аппаратный комплекса на основе

тензометрических датчиков, высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ, обра-

батывающего входные данные и обеспечивающего получение стабильных и достоверных резуль-

татов при исследовании силовых параметров во время поперечно-винтовой прокатки цилиндриче-

ских заготовок, позволило сделать вывод о том, что расчет силовых параметров поперечно-

винтовой прокатки, полученный моделированием процесса в специализированном пакете про-

грамм DEFORM 3D, дает заниженные результаты по сравнению с экспериментальными данными

в среднем на 18%

5. Сопоставительный анализ универсального прикладного пакета программ ANSYS/LS-

DYNA и специализированного DEFORM 3D показал, что качественная картина распределения на-

пряжений по ANSYS/LS-DYNA и специализированному пакету DEFORM 3D идентична, однако

абсолютные значения напряжений по ANSYS/LS-DYNA больше на 20-25%. Программа DEFORM

3D более простая в использовании и может быть рекомендована для исследования процессов ОМД

в заводских условиях и в ВУЗах.

Список литературы:

1. Осадчий В.Я., Вавилин А.С., Зимовец В.Г., Коликов А.П. «Технология и оборудование

трубного производства». Интермет инжиниринг, Москва, 2001

2. «LS-DYNA Key word user’s manual. Version 970». Livermore Software Technology Corpora-

tion. April 2003. USA

Панов Е.И. «Создание универсального стана поперечно-винтовой прокатки и исследова-

ние технологических режимов его работы». Диссертация на соискание степени канд. техн. наук :

05.03.05 М. , 2002 - 209 с.ил

Восканьянц А.А. Иванов А.В. Панов Е.И. Исследование процесса холодной поперечно-

винтовой прокатки на трехмерной конечно-элементной модели.//Непрерывные процессы обработ-

ки давлением. Труды Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию

со дня рождения академика А.И.Целикова (Москва, 14-15 апреля 2004 г.)/ Под. ред. А.А. Воскань-

янца. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – С. 332- 340

Восканьянц А.А. Иванов А.В. Панов Е.И. Моделирование процесса горячей поперечно-

винтовой прокатки сплошной заготовки методом конечных элементов.//Непрерывные процессы

обработки давлением. Труды Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-

летию со дня рождения академика А.И.Целикова (Москва, 14-15 апреля 2004 г.)/ Под. ред. А.А.

Восканьянца. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – С. 340- 348

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

382

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕССА УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА РАСПРЕ-

ДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛОСЫ ВО ВРЕМЯ НОРМАЛИЗИРУЮЩЕЙ ПРОКАТКИ

ГЛАДКИХ КРУГЛЫХ ПРУТКОВ

Лaбер К., Дыя Х, Дубовцев И. С.

Ченстоховская Политехника; Факультет Инжинерии Процесса, Материалов и Прикладной Физи-

ки; Отделение Моделирования и Автоматизирования Процессов Пластической Переработки

Краткое содержание

В работе представлены результаты численного моделирования влияния применения процес-

са ускоренного охлаждения на распределение температуры полосы во время нормализирующей

прокатки прутков. Исследования проводились для гладких круглых прутков диаметром 26 мм из

конструкционной стали S355J2G3 на основании реальных данных, полученных в одном из про-

катных цехов.

Представленные в работе исследования проводились в два этапа. На первом этапе проводи-

лось численное моделирование действующей технологии прокатки гладких круглых прутков, а на

втором этапе − численное моделирование процесса нормализирующей прокатки с учетом уско-

ренного охлаждения полосы на последнем этапе процесса. Целью работы было исследование

влияния применения процесса ускоренного охлаждения на распределение температуры в прока-

тываемой полосе.

1. Введение

Одним из самых важных параметров процесса прокатки является температура деформируе-

мой полосы. Точные данные о распределении температуры в материале во время прокатки позво-

ляют проводить процесс таким образом, чтобы получить изделие с желаемыми механическими

свойствами [1]. Множество факторов оказывают влияние на распределение температуры полосы в

процессе прокатки. Среди них следует отметить величину деформаций, условия теплообмена и

способ охлаждения полосы в прокатной линии [1].

Основным способом регулирования температуры полосы во время прокатки является перио-

дическое охлаждение водой. Существует много способов ускоренного охлаждения металла во

время процесса прокатки, среди которых можно выделить: душевое охлаждение или охлаждение

струей, ускоренное охлаждение металла водно-воздушными струями, ускоренное охлаждение

мелких изделий в струях воды, а также охлаждение воздушними и водяными струями [2, 3].

В процессе ускоренного охлаждения полосы во время, или после процесса прокатки наблю-

даются сложные условия теплообмена, среди которых выделяются: конвекция потока воды, излу-

чение в окружающую атмосферу водяного пара и конвекция смеси воды и водяного пара. Подроб-

ное описание конструкции оборудования, служащего для ускоренного охлаждения полосы во вре-

мя прокатки, а также способы определения коэффициентов теплообмена при этих условиях можно

найти в работах [2, 3]. Интенсивность охлаждения полосы зависит от скорости и количества охла-

ждающей воды, расстояния между выходным отверстием фурмы и охлаждаемой поверхностью, а

также угла наклона струи относительно охлаждаемой поверхности. Величина коэффициентов теп-

лообмена при таких условиях может достигать от 1,3 до 100 kW/м

⋅K [3].

2. Цель и этапы работы

Целью работы являлось исследование влияния применения процесса ускоренного охлажде-

ния на распределение температуры полосы во время нормализирующей прокатки.

Представленные в работе исследования проводились для гладких круглых прутков диамет-

ром 26 мм из конструкционной стали S355J2G3[4] на основании реальных данных, полученных в

одном из цехов прокатки прутков.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

383

Для проведения численного моделирования процесса прокатки использовалась программа

SortRoll, основанная на методе конечных элементов [5].

На первом этапе исследований было проведено численное моделирование существующей

технологии прокатки гладких круглых прутков (вариант 1). В настоящее время этот процесс осу-

ществляется в 14 последовательных прокатных клетях. Целью этого этапа исследований было оп-

ределение распределения температуры полосы во время процесса прокатки, определение темпера-

туры конца прокатки, а также исследование неравномерности распределения температуры по по-

перечному сечению полосы. На основе полученных данных доказано, что средняя температура

полосы после последней 14-ой прокатной клети составила примерно 1026

С, а разница температу-

ры по поперечному сечению полосы составила примерно 66

С.

Во время нормализирующей прокатки температура конца прокатки для стали S355J2G3

должна составлять примерно 900

С [6]. На основании этого на втором этапе исследований (вари-

ант 2) были предложены изменения технологии прокатки, заключающиеся в том, чтобы перенести

прокатку из клетей № 13 и 14 в последние две клети прокатной линии (№ 17 и № 18). Введенные

изменения заключались также в применении ускоренного охлаждения после клети № 12 на длине

2,4

м (две секции охлаждающего оборудования по 1,2 м каждая, размещенные на месте нерабо-

тающих прокатных клетей № 13 и 14). Целью этого этапа работы было исследование влияния

применения процесса ускоренного охлаждения на распределение температуры полосы.

2. Анализ результатов исследований

Расчитанные и принятые на основании литературы [3, 7-10] данные, необходимые для прове-

дения компьютерной симуляции, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные для компьютерной симуляции

Температу-

ра окру-

жающей

среды

[

Темпера-

тура вал-

ков

[

Темпера-

ту-

ра воды

[

Фак-

тор

тре-

ния

[-]

Коэффици-

ент тепло-

обмена по-

лосы с ок-

ружением

[W/м

⋅

⋅⋅

⋅K]

Коэффици-

ент тепло-

обмена по-

лосы с вал-

ками

[W/

⋅

⋅⋅

⋅K]

Коэффициент

теплообмена по-

лосы с водой

[W/

⋅

⋅⋅

⋅K]

20 60 25 0,8

107 ÷138 3000 ÷ 9815

7018

(в первой секции

охладительного

оборудования)

6889

(во второй секции

охладительного

оборудования)

Основные параметры процесса прокатки для условий анализируемого прокатного стана

представлены в таблице 2. В этой таблице даны средние температуры полосы до и после каждого

пропуска, полученные в результате численного моделирования с учетом ускоренного охлаждения

после 12 клети (вариант 2). Начальная величина температуры была принята на основании измере-

ний, проведенных во время реального процесса прокатки.

Таблица 2. Основные параметры процесса прокатки гладких круглых прутков Ø 26 мм

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

384

Распределение температуры, а также средние температуры полосы, полученные в результате

проведенных компьютерных симуляций, учитывающих ускоренное водяное охлаждение после 12

клети представлено на рис. 1-7. На этих рисунках представлены результаты распределения темпе-

ратуры полосы в поперечным сечении, а также на его длине.

a) б)

Рис.1. Распределение температуры полосы (в

С) после 12 прокатной клети

а) - распределение температуры по длине полосы, б) – распределение темпера-

туры в поперечном сечении полосы

б)

№

клети

Калибр

Расстояние

между

клетями

[м

]

перед пропуском

Скорость

выхода

из клети

[м/с]

Средняя темпр. полосы

[

после пропуска

1 H

Ящичный

2,5

11200,21 1110

2 V

Ящичный 11030,27 1094

3 H

Овальный ящ.

2,5

10880,37 1081

4 V

Круг

2,5

1075

0,49

1070

5 H

вал

2,5

1064

0,72

1059

6 V

Круг

2,5

1054

0,98

1052

7 H

вал

6,7

1041

1,35

1040

2,1

8 V

Круг

1037

1,86

1038

2,1

9 H

1037

2,48

1038

3,33

4,2

10 V

11 H

Овал

4,39

12 V

Круг

4,96

Oвал

Круг

Где

–

соответственно

клеть горизонтальная и

вертикальная

13 H

Ускор.охлажд.

8,9

4,0

14 V

Ускор.охлажд.

15 H

4,4

16 V

17 H

Не прокатывает

18 V

Не прокатывает

Овал

Круг

4,2

4,0

4,1

4,4

6,34

7,56

1036

1040

1037 1038

1035 1037

898 898

896

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

385

Рис. 2. Распределение температуры полосы (в

С) перед первой секцией охлаждающего

оборудования, размещенного на месте 13 прокатной клети

а) – распределение температуры по длине полосы, б) – распределение температуры

в поперечном сечении полосы

a) б)

Рис. 3. Распределение температуры полосы (в

С) после первой секции охлаждающего

оборудования, размещенного на месте 13 прокатной клети

а) – распределение температуры по длине полосы, б) – распределение температуры

в поперечном сечении полосы

a) б)

Рис. 4. Распределение температуры полосы (в

С) перед второй секцией охлаждающего

оборудования, размещенного на месте 14 прокатной клети

а) – распределение температуры по длине полосы, б) – распределение температуры

в поперечном сечении полосы

a) б)

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

386

Рис. 5. Распределение температуры полосы (в

С) после второй секции охлаждающего

оборудования, размещенного на месте 14 прокатной клети

а) – распределение температуры по длине полосы, б) – распределение температуры

в поперечном сечении полосы

a) б)

Рис. 6. Распределение температуры полосы (в

С) в 17 прокатной клети

а) – распределение температуры полосы перед пропуском, б) – распределение тем-

пературы полосы после пропуска

a) б)

Рис. 7. Распределение температуры полосы (в

С) в 18 прокатной клети

а) – распределение температуры полосы перед пропуском, б) – распределение

температуры полосы после пропуска

На основании анализа результатов исследований, представленных на рис. 2 и 3 доказано, что

в результате использования процесса ускоренного охлаждения в первой секции охлаждающего

оборудования средняя температура полосы снизилась примерно на 69

С. Разница температуры в

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

387

поперечном сечении полосы после выхода из первой секции охлаждающего оборудования соста-

вила примерно 164

С.

Анализируя результаты исследований, представленных на рис. 4 и 5, было доказано, что в ре-

зультате применения процесса ускоренного охлаждения во второй секции охлаждающего обору-

дования средняя температура полосы снизилась примерно на 56

С. Разница температуры в попе-

речном сечении полосы после выхода из второй секции охлаждающего оборудования составила

примерно 150

С.

На основании полученных результатов исследований было доказано, что применение про-

цесса ускоренного охлаждения способствовало резкому охлаждению только тонких поверхност-

ных слоев полосы. В результате теплообмена горячей центральной части с поверхностными слоя-

ми разница в температуре полосы, образовавшаяся в результате ускоренного охлаждения, быстро

снизилась.

На основании полученных результатов доказано, что средняя температура полосы после про-

катки по новой схеме (вариант 2) составила примерно 900

С (рис. 7). Поэтому можно сказать, что

предложенный способ охлаждения позволяет получить требуемый уровень температуры полосы

после прокатки. Разница температуры в поперечном сечении прокатываемого материала составила

примерно 58

С (рис. 7).

На основании проведенных исследований доказано, что в условиях анализируемого прокат-

ного цеха можно использовать процесс нормализирующей прокатки. Уменьшение средней темпе-

ратуры полосы до уровня около 900

С требовало использования двух отрезков охлаждения длиной

1,2

м каждый (вместе 2,4 м).

Перенос прокатки из клетей № 12 и № 14 (вариант 1) в клети № 17 и № 18 (вариант 2) позво-

лил также уменьшить разницу температур в поперечном сечении полосы, появившуюся в резуль-

тате интенсивного охлаждения.

Выводы

На основании проведенных исследований, связанных с определением влияния использования

процесса ускоренного охлаждения на распределение температур полосы во время нормализирую-

щей прокатки круглых гладких прутков, доказано, что:

- в результате использования ускоренного охлаждения после прокатной клети №12 средняя темпе-

ратура полосы в первой секции охлаждающего оборудования уменьшилась на 69

С, а во второй

секции охлаждающего оборудования средняя температура полосы снизилась на 56

С;

- в результате применения данной схемы резкому охлаждению подверглись в основном тонкие по-

верхностные слои полосы;

- получение средней температуры полосы около 900

С требовало введения двух охлаждающих

отрезков длиной 1,2 м каждый;

- перенос прокатки из клетей № 13 и № 14 в клети № 17 и №18 позволил уменьшить разницу тем-

ператур в поперечном сечении полосы, появлявшуюся в результате ускоренного охлаждения;

Список литературы

[1]. Laber K.: Modelowanie i optymalizacja procesów regulowanego walcowania i kontrolowanego

chłodzenia wyrobów walcowni bruzdowych, Praca doktorska, Częstochowa 2008 r., s. 8, 56, 87,

88÷99, 104÷108.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

388

[2]. Kajzer S., Kozik R., Wusatowski R.: Wybrane zagadnienia z procesów obróbki plastycznej metali.

Projektowanie technologii, Wydawnictwo Politechniki

Śląskiej, Gliwice 1997 r., ISBN 83-85718-

72-9, s. 62÷85.

[3]. Minajev A. A., Ustimenko S. V.: Kontrolirujemaja prokatka sortovoj stali, izdatelstvo Metallurgija,

1990 r., ISBN 5-229-00296-4, s. 6, 10÷11, 13, 20÷68.

[4]. Polska Norma PN-EN 10025: Wyroby walcowane na gor

ąco z niestopowych stali konstrukcyjnych.

Warunki techniczne dostawy, Polski Komitet Normalizacyjny, 2002 r., ISBN 83-243-0390-1.

[5]. Danchenko V., Dyja H., Lesik L., Mashkin L., Milenin A.: Technologia i modelowanie procesów

walcowania w wykrojach, Politechnika Cz

ęstochowska, Prace Dydaktyczne Wydziału Inżynierii

Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Seria: Metalurgia Nr 28, Wydawnictwo Wydziału

Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej Politechniki Częstochowskiej,

Częstochowa 2002 r., ISBN 83-87745-66-9, s. 119÷126, 153÷154, 159÷161, 163, 247, 356,

530÷587.

[6]. Dobrza

ński L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach, wyd. 3, Wydawnictwa Nau-

kowo-Techniczne, Warszawa 1996 r., ISBN 83-202086-5, s. 219.

[7]. Kajzer S., Kozik R., Wusatowski R.: Walcowanie wyrobów długich. Technologie walcownicze,

Wydawnictwo Politechniki

śląskiej, Gliwice 2004 r. ISBN 83-7335-236-8., s. 77, 84, 85.

[8]. Pietrzyk M.: Metody numeryczne w przeróbce plastycznej metali, Skrypty Uczelniane nr 1303,

wyd. 1, Wydawnictwa AGH, Kraków 1992 r., PL ISSN 0239-6114, s. 156-157.

[9]. Kazancev E. I., Kushnir A. M.: Metodicheskije ukazanija k raschetu temperaturnogo sostojanija me-

talla pri prokatke po kursu Metallurgicheskaja teplotekhnika, Ministerstvo Vysshego i Srednego

Specialnogo Obrazovanija USSR, Doneckij Ordena Trudovogo Krasnogo Znameni Politekhni-

cheskij Institut, Doneck DPI 1987 r., s. 6÷8.

[10]. Mróz S.: Modelowanie walcowania prętów żebrowanych otrzymanych metodą wzdłużnego rozdzie-

lania pasma, materiały konferencji pt. Fizyczne

i Matematyczne Modelowanie Procesów Obróbki Plastycznej, Warszawa 20-21.05.2005 r., Prace

Naukowe – Mechanika, z. 207, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005

r., ISSN 0137-2335, s. 66.

Секция 4. Сортопрокатное и волочильное производство

389

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГЛАВНОЙ ЛИНИИ

«ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОЙ КЛЕТИ (ПНК)-320»

Мальцев А.А.

, Русаков А.Д.

МГТУ им. Н.Э. Баумана ppmal@km.ru,

Государственное учреждение Институт металлур-

гии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, rusakovel@rumbler.ru

Прогнозирование долговечности деталей прокатного оборудования без расчета динамических

нагрузок, которые могут превосходить технологические в несколько раз.

Основные причины появления динамической нестабильности в работе прокатного оборудования

и в частности прокатного стана:

–

быстрое изменение технологического сопротивления;

– ударное замыкание зазоров;

– неудачная конструкция звеньев механизмов;

– фрикционные автоколебания;

– периодические силовые или параметрические возмущения;

–

пуски, реверсы и торможения механизмов;

– аварийные ситуации.

Динамические процессы отрицательно отражаются: на прочности деталей оборудования,

качестве проката, точности работы механизмов.

Объектом исследования является главная линия чистовой клети «ПНК-320» Ревякинского

металлопрокатного завода (ОАО «РМЗ»). Она представлена в виде крутильной колебательной

системы (рис.1).

Рис.1. Крутильная колебательная система

Асимметричное нагружение [1] верхней и нижней ветвей, вынуждают крутильную

колебательную систему изобразить в виде расчетной схемы с разветвлённой структурой (рис.2).

Для исследования поведения разветвленной крутильной колебательной системы авторами

разработана специальная Маткад-программа прототипом которой была аналоговая программа

[2].

Инерционно-жесткостные параметры динамической модели идентифицированы по

геометрическим и инерционным характеристикам конструкционных элементов (см. таблицу 1).