Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого
Президента России Б.Н. Ельцина»
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕЛЮЩИХ ШАРОВ
05.16.05 - Обработка металлов давлением
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
РУБЦОВ Виталий Юрьевич
Екатеринбург 2021
Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением Института новых материалов и технологий ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент, ШЕВЧЕНКО Олег Игоревич
Официальные оппоненты: ВАВИЛКИН Николай Михайлович, доктор технических наук, профессор, пенсионер, г. Москва;
Барышников Михаил Павлович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, профессор кафедры «Технологии обработки материалов»;
Радионова Людмила Владимировна, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)», г. Челябинск, заведующий кафедрой «Процессы и машины обработки металлов давлением».
Защита состоится «10» июня 2021 г. в 12:00 ч на заседании диссертационного совета УРФУ 05.04.08 по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. И-420 (зал Ученого совета).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», https://dissovet2.urfu.ru/mod/data/view.php?d=12&rid=2177
Автореферат разослан « » 2021 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Селиванова Ольга Владимировна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Согласно приоритетным направлениям развития черной и цветной металлургии, из распоряжения Правительства РФ от 6 июня 2020 г. № 1512-р «Об утверждении Сводной стратегии развития обрабатывающей промышленности РФ до 2024 г. и на период до 2035 г», в ближайшие годы планируется их значительный рост. В процессе переработки руды одним из основных этапов является её измельчение в шаровых мельницах. В связи с этим, расширяется объем производства мелющих шаров. За последние годы запущены в эксплуатацию шаропрокатные станы: в Череповце «Северсталь», Павлодаре «KSP Steel», Сухом Логу «УГМК», Нижнем Тагиле «ЕВРАЗ-НТМК». На сегодняшний день в мире функционируют более 40 шаропрокатных станов. Большинство из них находятся на территории России и стран СНГ и были введены в эксплуатацию в 60-е гг. XX века. Технологии получения шаров, применимые на данных станах, морально устарели, не отвечают современным требованиям и в большинстве своем требуют замены или модернизации оборудования.
Поэтому актуальной проблемой на сегодняшний день является совершенствование режимов поперечно-винтовой прокатки, а также калибровок шаропрокатных валков и технологий производства для повышения: качества производимых шаров, увеличения энергоэффективности процессов, снижения трудовых ресурсов и минимизации влияния человеческого фактора на процесс производства. Это требует глубокого научного подхода, основанного на тенденциях современной науки и техники, включающего повышение технологичности производственного процесса, улучшение технических характеристик существующего оборудования и обоснование процессов, материалов, устройств и режимов предложенных вновь.
Степень разработанности темы исследования. Развитие теории поперечно-винтовой прокатки коротких тел целиком основывается на работах А.И. Целикова и С.П. Грановского, заложивших фундаментальные основы расчетов для калибровок шаропрокатных валков, которые впоследствии усовершенствовались такими учеными, как В.И. Котенок, К.Л. Разумов- Раздолов, а также исследовались и были применены на практике группой ученых из Новокузнецка во главе с В.Н. Перетятько, авторами из Люблинского технологического университета во главе с Z. Pater и специалистами из КНР. Развитие науки и техники в других областях приводит к непрерывному совершенствованию современного прокатного и металлорежущего оборудования, в связи с этим требуется адаптация существующих методик, конструкций, в том числе калибровок валков, технологий производства шаров и пр.
Поэтому целью работы является: разработка перспективных калибровок шаропрокатных валков, совершенствование режимов поперечно-винтовой прокатки и технологии производства мелющих шаров.
Основные задачи диссертационного исследования, которые необходимо решить для ее достижения:
- повысить ресурс инструмента деформации шаропрокатных станов, в том числе, исследовать причины, виды износа, распределение износа по поверхности инструмента деформации;
- разработать перспективные калибровки шаропрокатных валков, аналитически описать кривые, являющиеся образующими для элементов калибровки. Детально рассмотреть каждый параметр калибровки (подъем и толщина реборды, шаг и развалка калибра), а также влияние данных параметров на режимы прокатки. Сравнить различные методы разработки калибровок и процессов прокатки, включая аналитический, опытный, а также моделирование МКЭ и доказать степень сходимости результатов для валков с непрерывно-изменяющимися параметрами;
- решить задачи прикладного характера по совершенствованию технологических режимов производства мелющих шаров (включающие создание процессов с максимальной автоматизацией, например, оперативный контроль оптимизации настроек стана или определение прокаливаемости шаров в On-line режиме для управления параметрами термообработки и пр.) и совершенствовать технологии производства (включая уменьшение расхода металла, повышение качества продукции как по геометрическим параметрам, так и по объемной твердости и др.)
Научная новизна. В результате систематических исследований показаны направления, при которых возможно получение мелющих шаров высокого качества. калибровка прокатка мелющий шар
Установлено, что на шаропрокатных валках наиболее подвержены износу две области - зона захвата заготовки и зона отделения перемычки, в которых износ достигает предельных значений. Нагрузки на оборудование зависят от степени износа. Период приработки составляет 1/4 ресурса валка и сопровождается снижением нагрузки. Дальнейший износ приводит к замедленному, а затем к интенсивному росту нагрузки. Показано, что максимальное влияние частоты вращения валков на удельное контактное давление происходит в момент захвата заготовки.
Аналитически получены функции значений непрерывно-изменяющихся параметров (изменения шага и развалки калибра) для шаропрокатных валков при выполнении условия сохранения постоянства секундных объемов; определено, что функциональные зависимости являются характеристическими уравнениями кривых 2-ого порядка. Это позволяет однозначно определить положение образующей кривой по 5 точкам. На этой основе разработана методика проектирования шаропрокатных валков.
Впервые произведено моделирование прокатки шаров в программе Deform-3D с использованием валков с непрерывно-изменяющимися параметрами. Доказана возможность использования системы Deform для моделирования процессов прокатки шаров на валках с непрерывно-изменяющимися параметрами с высокой степенью достоверности результатов моделирования по геометрическим и энергосиловым параметрам.
Теоретическая и практическая значимость. Предложены скоростные режимы прокатки с автоматически-изменяемой частотой вращения в момент захвата заготовки для увеличения ресурса шаропрокатных валков, определены их рациональные параметры. При производстве шаров различных диаметров определены допустимые максимальные частоты вращения валков, например, для шаров Ш60 мм она составит 71 об/мин и, для Ш80 мм Ї 72 об/мин и т.д.
Установлено влияние конструктивных элементов проводок на их износ. Увеличение ширины рабочей части проводок при прокатке шаров условным диаметром Ш60 мм, Ш80 мм, Ш100 мм, Ш120 мм, до максимально возможных значений 9,5 мм, 14,5 мм, 16,5 мм и 27 мм соответственно, повысило их ресурс. Впервые разработаны модели энергоэффективных калибровок для валков с переменными параметрами (непрерывно-изменяющимся шагом по функциональным зависимостям, переменной глубиной впадины), которые обеспечивают постоянное прилегание заготовки к валкам и создают более равномерное распределение удельных контактных давлений по поверхности шара.
На основании экспериментов решен ряд прикладных задач, направленных на совершенствование технологии производства мелющих шаров: уменьшена концевая обрезь заготовки; предложено разбиение мелющих шаров на две категории точности: обыкновенной и повышенной; предложен экспресс- контроль глубины прокаливания мелющих шаров на основании регистрации акустических колебаний; разработаны режимы, гарантирующие получение шаров 5 группы твердости из сталей марок 70ХГФН-2, 75ХГФН и Ш-3Г в условиях закалки с прокатного нагрева.
Методология и методы исследования. Исследования режимов прокатки и термообработки мелющих шаров проводились в рамках производственного эксперимента на станах 40-80 и 80-125, а также в условиях вводимого в эксплуатацию стана 60-120 АО «ЕВРАЗ-НТМК»;
Проектирование 3-D моделей шаропрокатных валков производилось в программе SolidWorks 2018 Professional, а моделирование процессов прокатки методом конечных элементов проводилось в программном комплексе Deform 2D/3D. Математическое моделирование термических процессов проводилось в программе Solid Flow Simulation.
Определение геометрических параметров проводилось как на стандартном оборудовании, так и при помощи специальных пространственных измерителей («FARO ARM» и 3-D сканер) с применением методов допускового контроля и учетом погрешностей инструментов и методов измерения. Контроль физических величин производился на метрологически-аттестованном оборудовании с использованием систем автоматики, измерительных инструментов и стационарных приборов (тепловизора «Fluke Ti 400», твердомера «МЕТОЛАБ 703», металлографического микроскопа «Leica MEF4A» и т.д.).
На защиту выносятся: результаты комплексных исследований режимов поперечно-винтовой прокатки, обеспечивающие получение мелющих шаров высокого качества;
- характер, степень и распределение износа по длине шаропрокатных валков. Влияние конструктивных элементов проводок на их износ;
- скоростные режимы прокатки с автоматически-изменяемой частотой вращения в момент захвата заготовки;
- новые калибровки шаропрокатных валков с непрерывно- изменяющимися параметрами (с непрерывно изменяющимся шагом и постоянной или линейно-увеличивающейся толщиной реборды, а также с переменной глубиной впадины).
- 3-D модель процесса прокатки в программе Deform-3D, использующая валки с непрерывно-изменяющимися параметрами, показавшая высокую степень сходимости результатов моделирования по геометрическим и энергосиловым параметрам с результатами промышленного эксперимента.
- прикладные исследования по совершенствованию технологических режимов производства мелющих шаров: оперативный контроль оптимизации настроек стана, определение прокаливаемости шаров в On-line режиме и совершенствование технологии производства: уменьшение расхода металла, повышение качества мелющих шаров.
- результаты производственного эксперимента, обеспечивающие получение шаров 5 группы твердости в условиях стана 60-120.
Достоверность основных положений и выводов работы обеспечена корректным выбором современных методов исследования и согласием базовых положений диссертации с современными концепциями.
Достоверность математического моделирования определяется применением современных методов моделирования процессов прокатки, термообработки и высокой степенью сходимости результатов моделирования с опытными данными.
Достоверность разработок, предложенных в диссертационной работе, подтверждает их внедрение и использование на промышленных площадках:
- внедрение переменной частоты вращения валков на стане 80-125 АО
«ЕВРАЗ-НТМК» и фактическое увеличение за 2019 год ресурса валков до 1960 т с одной переточки вместо 1800 т за 2018 год (Акт соответствия и акт использования изобретения 2723342 от 07.08.2020);
- изготовление шаропрокатных валков на фрезерном 5-координатном обрабатывающем центре с непрерывно-меняющимся шагом, взамен токарно- винторезных станков (Акт о результатах опытной прокатки от 30.04.2018г.)
- увеличение объемов производства ШПС за счет снижения плановых простоев по замене проводок с суммарным экономическим эффектом за 2019 год в размере 10,82 млн. рублей (п.2. Акт о результатах внедрения инициатив на участке ШПС от 23.09.2020г.);
- внедрение режимов настройки стана, повлиявших на увеличение стойкости валков и увеличение производства ШПС с суммарным экономическим эффектом за 2019 год в размере 22,33 млн. рублей (п. 1. Акт о результатах внедрения инициатив на участке ШПС);