- получение устойчивых процессов изготовления мелющих шаров 5 группы твердости из марки стали: 70ХГФН-2 (патент №2745922 от 04.08.2020 г).
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» МГТУ им. Г.И. Носова: - г. Магнитогорск 2017, 2018, 2020; международных научно-практических конференциях «Молодежь и наука» НТИ(ф) УрФУ: - г. Н. Тагил 2017, 2018, 2019, 2020; ХIV международной научно-технической конференции «Наука-образование- производство: Опыт и перспективы развития» - г. Н. Тагил 2018; XXIV, XXV Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» - Магнитогорск (2018), Екатеринбург (2020); 4-ой научно-практической конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении ИТММ» - г. Пермь 2019; XII международном конгрессе прокатчиков - Выкса (2019); международной конференции «Промышленное производство и металлургия (ICIMM)» - Н. Тагил, 2020.
Публикации. По результатам работы опубликовано 30 статей, в том числе 9 статей в изданиях, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, из них 4 статьи в изданиях, индексируемых в международной базе данных Scopus. Получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 189 страницах текста, включает 66 рисунков, 15 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 157 наименований и двух приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, дана характеристика её научной новизны и практической значимости.
В первой главе представлен анализ литературы по проблематике исследования. Описаны особенности технологического процесса производства мелющих шаров и периодических профилей методом поперечно-винтовой прокатки. На основании выполненного обзора, сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая глава сфокусирована на повышении ресурса инструмента деформации шаропрокатных станов, в том числе, исследовании причин, видов износа, распределения износа по поверхности инструмента деформации и разработке мероприятий по увеличению стойкости шаропрокатных валков и проводок.
Исследования износа прокатного инструмента были проведены в условиях производственного эксперимента при производстве шара условным диаметром 120 мм как профиля, при прокатке которого создаются максимальные усилия и деформации. Исследования были выполнены в условиях АО «ЕВРАЗ-НТМК» на шаропрокатном стане 80-125 и на шаропрокатном стане 60-120 с принципиально отличающимися калибровками.
Наиболее подвержены износу две области - зона захвата заготовки (что ярко выражено на валках стана 80-125 (рис.1)) и зона скрещивания валков (характерно для валков стана 60-120 (рис.2)). В этих зонах износ достигает предельных значений в первую очередь. Зона наиболее интенсивного износа шаропрокатных валков зависит от толщины реборды, где для стана 80-125 значение толщины реборды в зоне захвата составляет 3,99 мм, в зоне скрещивания валков - 18,68 мм, а для стана 60-120 толщина реборды в зоне захвата - 49,5 мм, в зоне скрещивания валков - 9,5 мм.
Рис. 1 Вид изношенной поверхности и разрушения реборд валков в зоне захвата
Рис. 2 Вид изношенной поверхности в зоне скрещивания
Выявлено, что степень износа как для валков, так и для проводок интенсивно возрастает по мере самого износа. На рис. 3 и 4 изображены графики линейного износа реборд (в зоне захвата заготовки - для стана 80-125 (рис.3) и в зоне скрещивания валков - для стана 60-120 (рис.4)), до их предельного износа (после которого появляются недокаты в виде «рейки» или «гирлянды» для станов 80-125 и 60-120 соответственно).
Также установлено, что износ прокатного инструмента и привалковой арматуры оказывает влияние на рост усилия прокатки. На рис.5 представлена сравнительная характеристика усилия прокатки за весь ресурс работы комплекта валков.
800
750
700
650
600
550
500
0 500 1000 1500 2000 2500
Рис. 5 Усилия прокатки за весь ресурс работы комплекта валков
Семейство кривых, полученных на рис. 5, показывает, что нагрузки на двигатель вытекают из процессов износа, где примерно 1/4 периода жизни валка происходит приработка валков и падение нагрузок, после чего износ валков приводит сначала к замедленному, а затем по прохождению ѕ объема прокатной кампании к интенсивному росту нагрузки. Максимальные значения суммарной нагрузки в обеих применяемых калибровках примерно одного порядка (750-800 кН), поэтому калибровка, имеющая большую энергоэффективность на новых валках, приведёт к существенному увеличению их ресурса. Следовательно, наиболее предпочтительной будет калибровка, при которой толщина реборды увеличивается от зоны захвата к зоне скрещивания, при этом толщина реборды не должна быть ниже минимальных значений, отвечающих прочностным и эксплуатационным требованиям. Установлено, что предельный ресурс работы валков за одну кампанию необходимо определять по фактическому уменьшению высоты реборд в критических зонах, а не по среднестатистическому ресурсу, что в целом устранит появление недокатов и увеличит полный ресурс валков.
Рис. 6 Схема действия сил и ускорение заготовки в момент захвата
Особое внимание в главе 2 уделено повышению стойкости валков за счет применения переменной частоты вращения. Исходя из условия захвата заготовки, определяющим параметром является окружное ускорение ? (рис.6). Для определения степени влияния на динамические нагрузки, из окружного ускорения и уравнения суммы моментов была выражена допустимая частота вращения валков:
30??з??разг(2?????? [м??т ? 1 (1 + ??)??] ? 4 р??
где r - радиус заготовки, м
dз - диаметр заготовки, м
µ - коэффициент трения при вращении заготовки,
tразг - время разгона заготовки до рабочей частоты вращения,
mт - проекция вектора для равнодействующей силы трения,
i - отношение радиуса заготовки и рабочего радиуса валка, rз/rв=dЗ/dВ
?? - угол захвата заготовки, ?? = ??с/??
bc - ширина смятия
pш - нормальное напряжение на торце штанги, Па
f - коэффициент внешнего трения,
с0 - текущее значение радиуса задающей штанги, м
G - масса заготовки, кг
p - контактное давление, Па
S - площадь контакта в момент захвата, м2.
Для заготовки Ш 60 мм допустимая частота вращения валков составит
n=71 об/мин и, соответственно, для Ш 80 - n=72 об/мин, для Ш 100 -
n=65 об/мин, для Ш 120 - n=63 об/мин. По результатам расчета видно, что при увеличении диаметра заготовки, допустимая максимальная частота вращения в момент захвата заготовки изменяется незначительно.
Экспериментальное исследование процесса прокатки, проведенное за весь жизненный цикл валка, подтвердило аналитические расчеты. Наиболее существенное снижение частоты вращения валков в момент захвата необходимо для заготовок меньшего диаметра. Причем по мере развития процессов износа инструмента деформации, требуется еще большее снижение частоты вращения (до 40% от первоначального значения). Например, для заготовки Ш60 мм частота вращения на предельно изношенных валках не должна превышать 40 об/мин.
Основываясь на полученных данных, предложено и обосновано использование режимов прокатки с переменной частотой вращения валков, т.е. снижение частоты вращения до допустимой в момент захвата заготовки и постепенный выход на рабочую частоту в установившемся режиме.
В условиях, когда время пауз между заготовками ограничено, возможно использование квадратичной зависимости увеличения частоты вращения валков (рис. 7), при которой время пауз снизится до 2 секунд при сохранении ожидаемого эффекта от снижения контактного давления на реборду.
Рис. 7 Значения удельного контактного давления при переменной частоте вращения валков (- - - - -) по квадратичному и ( )по линейному закону
Также было установлено, что износ направляющих проводок зависит от ширины их рабочей поверхности. Уширение рабочей поверхности возможно при увеличении подрезки одного из валков. Апробация аналитической модели была произведена в условиях стана 60-120. 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.
В третьей главе разработаны перспективные калибровки шаропрокатных валков, аналитически описаны кривые, являющиеся образующими для элементов калибровки. При калибровке шаропрокатных валков применяются четыре изменяющихся параметра (Ti, Hi, Bi и Si) (рис.8).
Ti - шаг винтовой линии; Bi - толщина реборды; Hi - высота реборды;
Hmax - максимальная высота реборды (в конце формирующего участка)
Si - величина развалки калибра;
цi - угол положения по длине винтовой линии от начала захода реборды
Рис. 8 Модель шаропрокатного валка
Для роста реборды ДH наиболее рациональным будет линейный закон, толщина реборды B имеет подчиненный характер. Значения ДT шага и ДS развалки калибра рационально использовать непрерывно-изменяющимися.
Предлагается исследовать зависимость непрерывного изменения шага шаропрокатных валков. После составления уравнений, используя объемы фигур, ограниченных ребордами и соединяющими их перемычками, и проведения ряда упрощений, были выведены функции определения шага для валков с непрерывно-изменяющимся шагом с постоянной (2) и линейно- увеличивающейся (3) толщиной реборды с выполнением условия сохранения постоянства секундных объемов.
(??2 ? ??2) + ??2 (?? ? ??)
(1 ? ??) + ??2 (?? ? ??)
Используя формулы 2, 3, возможно определить теоретический шаг на любом угле поворота валков для калибровки с постоянной или переменной шириной реборды при непрерывно меняющемся шаге. Оба уравнения представляют собой характеристическое уравнение кривой 2-ого порядка по типу y2=f(ax2+bx+c). В связи с чем, можно предположить, что для данной кривой применима теорема единственности кривых второго порядка: «Кривая второго порядка вполне определяется пятью своими точками, если никакие четыре из них не лежат на одной прямой, при этом кривая, заданная пятью точками вырождается в том и только в том случае, когда три из заданных точек лежат на одной прямой». Исходя из этого, допускаем нахождение 5 произвольных точек из исходного уравнения, по которым однозначно определится положение кривой.
Экспериментальным доказательством возможности использования кривых второго порядка и достаточности нахождения 5 точек для величины развалки калибра шаропрокатного валка, была построена модель валков с непрерывно-изменяющейся развалкой из модели валков с дискретно- изменяющимся этим же параметром.
В качестве базовой модели был взят комплект штатных валков для производства шаров условным диаметром 60 мм, с дискретно-изменяющимся шагом и развалкой, изготовленный на токарно-винторезных станках. При помощи 3-D сканера была получена модель (рис.9а), далее в систему были выгружены все геометрические параметры валка и проведен их детальный анализ.
а б
Рис. 9 Модели валка: а. - с 3-D сканера, б - рабочая
Согласно рис. 10 (исходные значения), видно, что на линии присутствуют значительные переломы при угле положения ц=765° и далее через каждые 90°. Для сглаживания данной кривой были применены параметры, обусловленные кривой 2-ого порядка, которые представлены на рис. 10 (корректированные значения). Построенная кривая с корректированными значениями пересекается с исходной кривой в 5 точках, что подтверждает её принадлежность к кривым 2-ого порядка.
Рис. 10 Параметры развалки калибра Si, мм
Используя корректированные значения, отредактирована исходная модель шаропрокатного валка и получена рабочая 3-D модель, предназначенная для 5-координатного обрабатывающего центра (рис.9б).
По результатам данной работы изготовлен комплект валков, прокатаны 2 опытных партии шаров диаметром 60 мм: одна с исходного комплекта валков, вторая с комплекта валков, изготовленного на 5-координатном обрабатывающем центре. При работе на валках с непрерывно-изменяющейся развалкой, нагрузки, снятые с прокатного двигателя, были на 10-15% ниже, чем на исходных валках, уменьшилось количество скачков по нагрузкам.
Применяя уравнения для нахождения шага, была рассчитана калибровка валка для получения шара условным диаметром 120 мм. Использована постоянная толщина реборды, которая составляла 11 мм, по всей длине валка, расчет проводился по формуле (2). По 5 точкам выстроена кривая с непрерывно-меняющимся шагом, на основе которой построена 3-D модель валка, а затем изготовлен комплект валков для опытной прокатки.
а б
Рис. 11 Шары, полученные на экспериментальной калибровке: а - проба шара; б - шары на транспортере
Экспериментально установлено, что нагрузка при использовании валков с непрерывно-меняющимся шагом снизилась на 25-35% в отличие от валков с дискретно-меняющимся шагом. После получения оптимальных настроек стана, а также режимов нагрева заготовки и прокатки, геометрия получаемого шара в холодном состоянии, на новых валках, составила 125±0,4 мм, что укладывается в требования ГОСТ 7524-2015, на шаре остается незначительный поясок и практически отсутствуют поверхностные дефекты (рис.11).