Автореферат: Совершенствование режимов поперечно-винтовой прокатки и технологии производства мелющих шаров

Используя исходные 3-D модели валков, было проведено моделирование процесса прокатки в программе Deform-3D. Настройка параметров расположения валков выбиралась из вариантов, по которым были достигнуты наилучшие показатели. Результаты моделирования с высокой долей аппроксимации сошлись с результатами опытной прокатки, включая энергосиловые параметры и геометрию шаров.

Особый интерес представляет процесс формирования концевой обрези - «половинки», характерный для процесса получения мелющих шаров. Критерий разрушения, как видно на рисунке 12а, интенсивно растет при утоньшении перемычки и достигает значений 6,43, а при достижении значения 15,1 на 247 шаге (рис.12б), происходит отделение половинки.

Полученная половинка (рис.13а) по форме идентична половинке, представленной в модели на (рис.13б) на 245 шаге. Как видно, половинка имеет форму вогнутой чаши, что подтверждает сопоставимость с появлением растягивающих напряжений при её формировании. Высокая степень соответствия результатов доказывает дальнейшую возможность использования системы Deform для моделирования процессов прокатки шаров на валках с непрерывно-изменяющимися параметрами с высокой степенью достоверности результатов моделирования.

а б

Рис. 12 Критерии разрушения при отделении половинки на шагах: а - 245; б - 247

А б

Рис. 13 Половинка, полученная: а - при опытной прокатке; б - в результате моделирования

Также в качестве перспективной модели предлагается калибровка валков с переменной глубиной впадины. При такой схеме калибровки необходимо определять глубину проточки калибров. В калибрах толщина реборды сохраняет постоянную величину. Основной переменной будет изменение глубины впадины витков калибра. Для данной модели была выведена функция изменения шага при линейно-увеличивающейся глубине канавки:

??²??_?? + ??³ ? ??) ????. (4)

При применении калибровки с переменной глубиной впадины, обжатие происходит равномерно со всех сторон, обеспечивается постоянное прилегание заготовки к валку на протяжении всей длины, что увеличивает площадь контакта и рассредоточивает нагрузку, а значит дает более оптимальные режимы обжатия.

Для реализации калибровки и производства валков с переменной глубиной впадины, в данной работе были определены возможности применения оборудования с ЧПУ различной конструкции.

В четвертой главе на основании систематических исследований предложен комплекс мероприятий по совершенствованию технологических режимов производства мелющих шаров.

1. Определены условия гарантированного захвата заготовки при условии уменьшения концевой обрези с использованием гидравлических толкателей в условиях промышленного эксперимента на шаропрокатном стане 60-120. Установлено, что повышенное давление в толкателе приводит к увеличению размеров половинки, это увеличивает расход металла. Получены минимально-допустимые значения давления в толкателе от 1,1 до 2,1 МПа в зависимости от диаметра заготовки.

2. Используя расчетные формулы приращения температур за счет энергии пластического формоизменения в очаге деформации, предложено аналитически определять распределение удельных усилий по точечным температурам поверхности шара на выходе из клети.

Рис. 14 Температуры на поверхности шара и зависимости распределения удельного усилия прокатки по удалению от полюса

Максимальное удельное усилие прокатки при производстве шара Ш 60 мм составляет 350 МПа и линейно снижается по мере удаления от вершины реборды инструмента деформации, причем практически сводится к нулю на пояске шара. Визуализация температурных полей в процессе прокатки позволяет оперативно производить настройку стана с обеспечением необходимых геометрических параметров между валками, тем самым снижая локальные напряжения.

3. Предложено разбить мелющие шары на две категории (обыкновенной и повышенной точности) и в дальнейшем при производстве шаров 4 и 5 групп твердости, для гарантированного исключения их дальнейшего разрушения, использовать шары «повышенной точности». Общая погрешность геометрических размеров производимых шаров складывается из погрешности, обусловленной качеством изготовления инструмента деформации, погрешности настройки стана и погрешности измерений. Анализ технологических воздействий на каждом этапе позволит существенно уменьшить общую погрешность. Наибольшее влияние на предельные отклонения диаметра во всём сортаменте шаров оказывает допуск на диаметр и овальность заготовки для прокатки шаров, регламентированная ГОСТ 2590-2006, которая более чем в 2 раза выше допуска на производимые шары.

4. Предложен экспресс-контроль глубины прокаливания мелющих шаров на основании регистрации акустических колебаний. В качестве обобщенного критерия качества, для экспресс-методики предложено использование акустических свойств, возникающих вследствие внешних механических воздействий и находящихся в корреляции с твердостью и глубиной закаливаемого слоя.

Для проведения исследования, партия из десяти шаров условным диаметром 60 мм из стали Ш-3Г непосредственно после прокатки на стане (с начальной температурой 940°С), была помещена в резервуар с водой температуры 20°С для закалки. Шары были выдержаны в водной среде от 0 до 3600 секунд, получив разную степень закалки (таблица) и извлечены для самоотпуска.

После этого, на специальном устройстве возбуждения акустических колебаний, поочередно с каждого шара произведено звукоизвлечение с записью параметров звуковых колебаний. Далее шары были разрезаны и проведен замер твердости каждого шара на поверхности, на глубине 1/2 от радиуса шара и в центре шара. Все параметры: твердость, выдержка, частота основного тона в момент атаки звука, представлены в таблице.

Значения частоты основного тона для разных групп шаров имеют достаточно большой диапазон (между 3 и 4 группой составляет более 150 Гц) и могут надежно регистрироваться измерительными приборами и являться критерием для классификации изделий по группам твердости.

Данный способ может быть рекомендован как экспресс - контроль шаропрокатного производства с возможностью оперативного регулирования технологического процесса закалки и увеличению выхода годной продукции, и быть автоматизирован при установке акустического датчика в технологическую линию.

Таблица

Параметры шаров в опыте

5. В рамках производственного эксперимента получены режимы, гарантирующие получение шаров 5 группы твердости для шаров условным диаметром 60-80 мм - стали марки 70ХГФН-2. Впервые в условиях закалки с прокатного нагрева получена 5 группа твердости шаров на больших диаметрах 100-120 мм с использованием сталей марок 75ХГФН и Ш-3Р. Признано более рациональным использование стали Ш-3Р, которая является менее требовательной к деликатности процессов термообработки (рис.15а - отсутствие трещин), а также имеет достаточную прокаливаемость и более низкую стоимость.

а. б

Рис. 15 Сравнительный анализ макроструктуры мелющих шаров: а.- сталь Ш-3Р, б. - 75ХГФН Стрелками обозначены трещины, возникшие в результате термической обработки

Условия реализации технологических режимов термической обработки мелющих шаров на новом шаропрокатном участке АО «ЕВРАЗ-НТМК» позволяет получать высокую твердость шаров на марках стали меньшего целевого назначения, что показывает его существенный потенциал.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований для увеличения ресурса валков предложено изменение скоростного режима работы, а для проводок - увеличение рабочей поверхности за счет максимально-допустимой подрезки валков. Разработаны калибровки шаропрокатных валков, используя которые возможно получить максимально эффективные режимы прокатки; а также определены наиболее рациональные режимы прокатки и настройки стана.

1. Выявлено, что наиболее подвержены износу две области: зона захвата заготовки и зона отделения перемычки, в которых износ достигает предельных значений в первую очередь, установлено, что степень износа как для валков, так и для направляющих проводок, интенсивно возрастает по мере самого износа.

2. Установлено, что максимальное влияние на контактное давление частота вращения валков оказывает в момент захвата заготовки. Определено, что для заготовки Ш60 мм допустимая частота вращения валков составит 71 об/мин и, соответственно, для Ш80 мм Ї 72 об/мин, для Ш100 мм Ї 65 об/мин, для Ш120 мм Ї 63 об/мин. Наиболее существенное снижение частоты вращения валков в момент захвата необходимо для заготовок меньшего диаметра, а также при работе валков по мере их износа. Так, для валков с предельно-допустимым износом снижение частоты вращения в момент захвата будет достигать 40% от первоначального значения на новых валках. Использование режимов прокатки с переменной частотой вращения валков по линейной или квадратичной зависимости позволяет уменьшить нагрузку на реборду в месте захвата и увеличить ресурс службы валков.

3. Установлено влияние конструктивных элементов проводок на их износ. Уширение рабочей поверхности возможно при увеличении подрезки одного из валков.

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.

4. Аналитически получены функции значений непрерывно- изменяющегося шага для шаропрокатных валков с постоянной и линейно- увеличивающейся толщиной реборды при выполнении условия сохранения постоянства секундных объемов; определено, что функциональные зависимости непрерывно-изменяющегося шага и параметров развалки калибра, являются характеристическими уравнениями кривых 2-ого порядка. Это позволяет однозначно определить положение образующей кривой (изменения шага и развалки калибра) по 5 точкам. Составлена методика расчета калибровки и построения 3-D модели шаропрокатных валков с непрерывно-изменяющимся шагом. При использовании валков с непрерывно- изменяющейся развалкой, нагрузки при прокатке снижаются на 10%, а при использовании валков с непрерывно-меняющимся шагом, на 25-35% в отличие от валков с дискретно-изменяющимися параметрами. Впервые была разработана модель калибровки для валков с переменной глубиной впадины, которая обеспечивает постоянное прилегание заготовки к валкам и создаёт более равномерное распределение удельных контактных давлений по поверхности шара. Для данной модели аналитически были найдены значения изменения шага от изменения радиуса с условием сохранения постоянства объемов.

5. Впервые произведено моделирование прокатки шаров в программе Deform-3D с использованием валков с непрерывно-изменяющимися параметрами. Результаты моделирования с высокой долей аппроксимации сходятся с результатами опытной прокатки шаров как по точности геометрических параметров, включая образующуюся половинку, так и по энергосиловым параметрам, что доказывает дальнейшую возможность использования системы Deform для моделирования процессов прокатки шаров на валках с непрерывно-изменяющимися параметрами с высокой степенью достоверности результатов моделирования.

6. В результате систематических исследований, решен ряд прикладных задач, направленных на совершенствование технологии производства мелющих шаров.

- за счет обоснования максимально-допустимых значений давления в толкателе, уменьшена концевая обрезь заготовки.

- по точечным температурам поверхности шара на выходе из клети определено распределение удельных усилий, что позволило рационально настраивать стан, снижая локальные напряжения.