CC BY
27
УДК 621.771. 23. 01
Капланов В. И. *
ОСОБЕННОСТИ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ТОНКОЛИСТОВОЙ ПРОКАТКИ
Приведен краткий обзор экспериментальных исследований основных закономерностей и особенностей высокоскоростной холодной прокатки тонких полос при различных режимах контактного трения и теоретических исследований влияния инерционных сил в очаге деформации на процесс прокатки
На протяжении почти более вековой истории прокатного производства постоянной тенденцией его развития является стремление увеличить скорость прокатки как одного из основных факторов повышения производительности и улучшения технико-экономических показателей производства металлопроката. Как показывает хронологический анализ технической литературы, посвященной листопрокатному производству тонколистовой стали [1], до 40-50 годов прошлого столетия увеличение скорости прокатки происходило незначительно , что было в большей степени связано с общим состоянием и темпами развития машиностроения, модернизацией действующих , проектированием и строительством новых более современных листопрокатных станов, как правило, имеющих более высокие скоростные характеристики.
Для дальнейшей перспективы освоения технологии высокоскоростной прокатки и развития прокатостроения необходимо было получить достоверную научную информацию об особенностях высокоскоростной деформации, установить основные закономерности изменения параметров прокатки, исследовать поведение прокатываемого металла и прокатного стана при обеспечении высокой устойчивости его работы и необходимого качества прокатываемых полос. На эти и многие другие вопросы можно было получить ответы, выполнив экспериментальные исследования по комплексной программе на специальном оборудовании, моделирующем процесс высокоскоростной прокатки и в наибольшей степени создающим реальные технологические условия промышленного производства. С начала 60-годов двадцатого века в Ждановском металлургическом институте, как тогда назывался Приазовский государственный технический университет, на кафедре обработки металлов давлением под руководством известного ученого прокатчика Дмитрия Ивановича Старченко создается новое научное направление исследования высокоскоростной тонколистовой прокатки металлов, которое впоследствие переросло в научную школу единомышленников, объединенных общей идеей, неукротимым творческим энтузиазмом, этикой отношений и корпоративной культурой. [1]
Высокоскоростной прокатной установкой служил одноклетевой стан 300 немецкой фирмы Шмитц, в главную линию которого была вмонтирована коробка передач с танка Т34, что позволили проводить исследования с высокой скоростью прокатки, регулируя ее ступенями : 1 - 4,5 м/с.; 11- 9,5 м/с.; 111- 15,7. и 1У -я 30,1 м/с.
На первом этапе комплексного исследования процесса высокоскоростной прокатки прокатывали цветные металлы и низкоуглеродистую сталь в холодном состоянии, применяя в качестве технологической смазки керосин. Для сравнения прокатку осуществляли без смазки в режиме сухого или ювенильного контактного трения между рабочими валками и полосой.
Первые экспериментальные исследования позволили установить в основном две диаметрально противоположные закономерности изменения деформационных и кинематических параметров холодной
* ГТГТУ, д-р техн. наук, проф
прокатки в зависимости от условий контактного трения в очаге деформации. Даже керосин, малоэффективное смазочное средство, способствует некоторой интенсификации деформации и при этом коэффициент вытяжки возрастает, опережение несколько уменьшается и отмечается снижение давления металла на валки в зависимости от вида прокатываемого металла, степени обжатия и скорости прокатки. Высокоскоростная прокатка без смазки, что, конечно, не может быть на практике, показала почти обратную закономерность изменения основных параметров от скорости прокатки и таким образом, определила дальнейший путь исследования с поиском новых технологических смазок, способных создавать различные режимы контактного трения в деформационной зоне [1]. Разработка новых, высокоэффективных и экономичных технологических смазок базировалась на современной научной основе - молекулярно-физической теории граничного трения, которая позволила определить правильное направление выбора поверхностно-активных веществ (ПАВ), создания новых смазочных композиций с многофункциональными свойствами, разработки более эффективных способов подачи смазок в очаг деформации с учетом особенностей высокоскоростной прокатки. Современная молекулярно-физическая теория граничного трения, предусматривающая три основных режима контактного трения, а именно: ювенильный, граничный и гидродинамический, а также два переходных режима: рубежный граничный и рубежный гидродинамический, и явление нематического скольжения создали основу для научного управления контактным трением между прокатываемой полосой и рабочими валками по клетям непрерывных и бесконечных высокоскоростных станов холодной прокатки.
Широкомасштабные и многолетние экспериментальные исследования, имитирующие реальные условия холодной прокатки на стане 300 фирмы Шмитц, позволили установить основные закономерности влияния оригинальных по составу, новых и экономичных технологических смазочных композиций на процесс прокатки, поведения прокатываемого металла и основные параметры прокатки, включающие показатели контактного трения . В общем, характер совместного влияния технологической смазки и скорости прокатки целесообразно называть смазочно - скоростным эффектом при прокатке. Новые синтетические смазки разрабатывались на основе аминоэфиров синтетических жирных кислот (СЖК), получаемые этерификацией их триэтаноламином, ацилоинов, представляющих собой смесь а -оксикетонов и отдельной группы продуктов производства синтетических жирных кислот ПФКС (полифункциональные кислородосодержащие соединения) и на основе многих других материалов минерального и природного происхождения.
Граничный слой смазки, сформированный на поверхности полосы, имеющий весьма сложную структуру и свойства, создается в течение некоторого времени, называемого латентным периодом. Время формирования и толщина граничного слоя зависят не только от структуры и свойств поверхностно-активных компонентов, но и от их носителя. В большинстве случаев новые смазки в виде водных эмульсий разной концентрации использовали при холодной прокатке полос с подачей непосредственно на стане и при предварительном нанесении на подкат перед прокаткой, которую выполняли после различной выдержки во времени. В опытном порядке исследовали новые смазки, содержащие активные компоненты, в смеси с маслами, преимущественно, минерального происхождения. Этот последний способ нанесения и использования поверхностно-активных веществ оказался менее эффективным , так как масла являются хорошими растворителями ПАВ, что затрудняет создание на металлической поверхности пластифицированного и квазикристаллического слоя, миграцию молекул и формирование непосредственно общего граничного слоя технологической смазки.
Установлена основная закономерность влияния структуры и функциональной группы молекул ПАВ, создающих граничный слой достаточной толщины и высокой прочности, на параметры высокоскоростной холодной прокатки при многократных пропусках стальных полос в рабочих валках без дополнительной подачи смазки.
Накопленный опыт и современное представление о граничном трении в условиях деформации различных металлов в холодном состоянии обеспечили разработку экономичного и экологически более чистого и безопасного способа безэмульсионной прокатки впервые успешно исследованного на
непрерывном 5-клетевом стане 1200 и реверсивном стане 1200 Новолипецкого металлургического комбината при прокатке тонколистовой трансформаторной стали и затем на 4-клетевом стане 1700 Мариупольского металлургического комбината им. Ильича. [2].
Перспективным для освоения высокоскоростной холодной прокатки является разработанный нами способ [3], обеспечивающий проявление в наибольшей степени доли нематического скольжения в общем режиме смешанного трения на контактной поверхности между полосой и рабочими валками. Условиями такого эффекта является искусственное создание на поверхности граничного слоя, лишенного жидкой фазы, представляющего собой тончайшую пленку конденсированной влаги в момент поступления прокатываемой полосы в клети непрерывного стана. Этот способ прокатки позволяет подобрать ПАВ в носителе в такой концентрации, чтобы сформировать достаточной толщины и прочности граничный слой на полосе в необходимой степени экранирующий трущиеся поверхности в очаге деформации и в полной мере обеспечивающей минимально допустимый уровень контактных сил трения и при этом гарантирующий устойчивый процесс деформации во всех клетях высокоскоростных станов непрерывной и бесконечной прокатки.
На основании теоретических представлений о роли контактного трения при высокоскоростной прокатке и опыта многолетних экспериментальных исследований можно утверждать, что одним из эффективных путей борьбы с явлением, связанным с вибрацией, так называемым «чаттер» на современных высокоскоростных промышленных станах холодной прокатки является разработка способа подготовки поверхности подката - нанесение специального тонкого органического покрытия, содержащего поверхностно-активные компоненты определенной структуры и свойств, а также подбор соответствующих охлаждающих жидкостей для подачи на рабочие валки и прокатываемую полосу непосредственно на стане.
Потеря устойчивости и особенно достижение резонанса являются губительными процессами при холодной прокатке на высоких скоростях и относятся к основным препятствиям освоения высокоскоростной технологии.
Одной из причин , как уже отмечалось выше, является контактное трение, низкий уровень которого приводит к аномальному процессу деформации, сопровождающемуся микропробуксовками рабочих валков по поверхности полосы недопустимо и непоправимо ухудшающими ее качество. Экспериментально доказано, что такой процесс холодной прокатки осуществляется .естественно, при отрицательном опережении или при избыточном отставании. Если в условиях аномального процесса прокатки полосы из низкоуглеродистой стали достаточно пластического материала сохраняли свою геометрическую форму, то при попытке задачи в валки , вращающиеся со скоростью 30 м/с., полос из более прочной и труднодеформируемой трансформаторной стали, они мгновенно разрушались от вибрации и распадались на мелкие части до пропуска. Эти части оставались на проводковом столе между направляющими линейками стана.
Высокоскоростная прокатка выдвигает в число актуальных проблему динамического эффекта в деформационной зоне, то есть влияния инерционных сил на процесс прокатки, его основные параметры , условия деформации и поведение прокатываемого металла.
Теоретическое исследование показало, что при установившемся процессе прокатки, когда с постоянной скоростью полоса поступает в рабочие валки, вращающиеся также с постоянной скоростью и с постоянной, н с более высокой скоростью, выходит из валков, в очаге деформации происходит движение частиц металла с ускорением и при этом движущаяся масса металла вызывает силу инерции, направленную против хода прокатки, которая оказывает влияние на процесс деформации и непосредственно на прокатываемую полосу [4].
Теоретические исследования позволили также изучить основные закономерности и особенности высокоскоростной прокатки, определить дальнейшую перспективу развития, реальные физические границы процесса, максимально возможную скорость прокатки, выше которой прокатка как вид обработки давлением не может существовать.
Разработанная математическая модель высокоскоростной прокатки тонких полос [4] дает возможность исследовать в зависимости от конкретных условий деформации основные закономерности изменения параметров прокатки и спрогнозировать их на перспективу увеличения скорости до таких пределов, которые еще предстоит освоить и, таким образом, предварительно определить способы управления динамическим эффектом и с учетом этого разработать систему автоматического поддержания необходимого и стабильного режима прокатки.
Из технологических приемов, которые могут повлиять на предельную скорость прокатки, можно отметить распределение обжатий по клетям и межклетьевого натяжения полосы так, чтобы сила натяжения постепенно и хотя бы на небольшое значение возрастала по ходу прокатки полосы. Но более эффективным средством является оптимальный режим трения между полосой и валками, дифференцированный по клетям
Функции обычно используемой смазочно-охлаждающей жидкости на стане можно разделить на две: предварительную обработку подката эффективным смазочным покрытием и охлаждающую функцию, которую можно усилить путем применения низкоконцентрированных эмульсий и чистой воды.
Особое требование предъявляется к основному оборудованию прокатных станов, особо высокой точности изготовления элементов главной линии , рабочих и опорных валков и установка их в клеть таким образом , чтобы исключить биение их во время высокоскоростной прокатки.
Выводы
Экспериментальным исследованием процесса высокоскоростной тонколистовой холодной прокатки установлена закономерность изменения деформационных и кинематических параметров от условий контактного трения. Главной особенностью является то, что указанные параметры прокатки в зависимости от скорости изменяются по двум диаметрально противоположным направлениям в условиях ювенильного (сухого) и граничного трения. Современная физико-молекулярная теория граничного трения объясняет основную закономерность влияния структуры и функциональной группы поверхностно-активных компонентов смазки на процесс высокоскоростной прокатки, а также позволяет разработать ряд обоснованных технических решений для эффективной борьбы с известным явлением « чаттер » при холодной прокатке на промышленных непрерывных станах.
Теоретические исследования позволили с помощью математической модели изучить основные особенности высокоскоростной прокатки, определить динамический эффект в деформационной зоне и установить максимально возможную, предельную скорость прокатки, определяющую физические границы существования прокатки как вида обработки металлов давлением.
Перечень ссылок
1. Капланое В.И. Высокоскоростная холодная прокатка тонких полос. / В. И. Капланое. - К. : Вища школа, 1993.-254 с.
2. A.c. 304022 (СССР). Способ холодной прокатки /Д. И. Старченко, А. Т. Слюсарее, В. И. Капланое и др./. - Опубл.в Б.И., 1971. - № 17.
3. Пат. 13429А (Украша) Cnoci6 обробки металевих штаб перед холодним прокатуванням !В.1.Капланое, Л.М.Радушееа, Н.В.Капланоеа. - Опубл. Бюлетень промислово! власносп,- 1997, № 1.
4. Kaplanov V.l. Dynamische Effekte beim Hochgeschuindigkeitswalzen dünner Bänder / V.l. Kaplanov. - Neue Hütte, 37, Jahrgang, Heft 6/7 - 92, Juni/Juli 1992.
Статья поступила 07.03.2006.1
