CC BY
62
3. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Панин Е.А. Моделирование совмещенного процесса «прокатка-прессование» с использованием калиброванных валков и равноканальной ступенчатой матрицы // Технология производства металлов и вторичных материалов. Темиртау. 2008. № 1. С. 145-154.
4. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Панин Е.А. Температурные условия протекания совмещенного процесса «прокатка-прессование».// Научно-технический прогресс в металлургии: Труды междунар. науч.-практ. конф.: Сб. науч. трудов. Темиртау. 2009. С. 328-335.
УДК 621.771
Харитонов В.А., Таранин И.В.
ФГБОУВПО «МГТУ», г. Магнитогорск
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПРОКАТКЕ КАТАНКИ
Тенденции развития металлургической промышленности в области производства катанки показывают, что требования к катанке постоянно ужесточаются по мере развития технологий в целом. Производитель должен обеспечить выпуск конкурентоспособной продукции, востребованной на рынке. Катанка должна иметь не только требуемый уровень геометрических характеристик профиля и механических свойств, но и эффективную технологичность при переработке на последующем метизном переделе. Процесс волочения катанки должен быть стабилен и эффективен при определенных скоростях и технологических режимах, а также осуществим без дополнительных затрат на термообработку, снятие окалины химическими или другими дорогостоящими способами и т.д.
На сегодняшний день определены основные требования к катанке, обеспечивающие требуемую технологичность при волочении, а также основные факторы, оказывающие влияние на вышеуказанные показатели. Известны эффективные методы контроля и управления технологическим процессом. Однако недостаточно изучено влияние на конечные свойства катанки напряженного состоянияв в очаге деформации, особенно при высокоскоростной прокатке, характерной для последних проходов при прокатке в современных высокоскоростных чистовых блоках.
Из теории пластичности [1] известно, что схема напряженного состояния, а также его неравномерность при деформации оказывает существенное влияние на пластичность, сопротивление деформированию и полное усилие обработки давлением. Чем выше в деформируемом метал-
ле растягивающие напряжения, тем больше снижается его пластичность и тем вероятнее появление в нем микродефектов (пор, трещин), которые отрицательно влияют на комплекс механическихсвойств.
Долгие годы калибровка валков сортовых станов решала задачи получения требуемой точности геометрических размеров профилей при достаточно высокой вытяжной способности, низких энергозатратах в процессе прокатки и отсутствии поверхностных и внутренних дефектов, связанных с неравномерностью деформации. Считалось, что в процессе прокатки катанки влияние рабочих напряжений на механические свойства невелико ввиду высоких температур деформации и относительно плавного формоизменения при прокатке по широко применяемой схеме овал-круг. Однако исследовательские работы по изучению напряженного состояния при сортовой прокатке [2, 3] показывают, что распределение напряжений при деформировании в калиброванных валках носит неравномерный характер.
С учетом особенностей высокоскоростной деформации [4] и ускоренного охлаждения, применяемого сразу после деформирования в соответствии с режимами сорбитизации катанки из высокоуглеродистых марок стали, напряженное состояние в очаге деформации при прокатке катанки в заключительных проходах может оказывать существенное влияние на формирование механических свойств и технологичность дальнейшей переработки катанки. Кроме того, в настоящее время на современных проволочных станах с целью улучшения структуры применяется низкотемпературная прокатка (до 750 °С) [5]. При пониженной температуре деформации влияние рабочих напряжений в металле на конечные механические свойства должно оказывать еще более негативное воздействие.
С целью изучения напряженного состояния в очаге деформации при прокатке катанки была разработана конечно-элементная модель. Рассматривалась прокатка по традиционно применяемой схеме овал-круг. Также была проанализирована схема плоский овал-круг, которая практически не используется в чистовых проходах действующих проволочных станов, однако имеет определенные преимущества [6]. Моделирование осуществлялось методом конечных элементов в лагранжевых координатах в среде программного комплекса ББРОКМ-ЗБ. При постановке задачи были приняты следующие допущения:
- рассматриваемый процесс является симметричным, изотермическим;
- валки несжимаемые;
- прокатываемый материал считается однородным, изотропным;
- деформируемая среда - вязкопластическая.
Трение описывалось по закону Зибеля (Shear) [7]:
t = ^Ts ,
где л - показатель трения (изменяется от 0 до 1), Ts - сопротивление деформации на сдвиг.
Показатель трения /л задавался постоянным и равным 0,4. В качестве деформируемой среды использовался материал из стандартной библиотеки DEFORM: сталь AISI-1045(Machining), для которого определена зависимость сопротивления деформации от значения скорости деформации в интервале от 1 до 500000 1/с.
Моделировалась прокатка катанки диаметром 5,5 мм из одноради-усного и плоскоовального раската при скоростях прокатки 5 и 120 м/с. Исходные условия прокатки: начальный размер прокатываемого и получаемого профиля, размеры калибра, диаметр валков, а также температурный и скоростной режим представлены в табл. 1.
Таблица 1
Исходные условия прокатки
Схема прокатки
Параметр Овал- Плоский
круг овал-круг
Начальные размеры прокатываемой заготовки:
высота Н, мм 9,0 8,0
ширина В, мм 4,5 4,0
длина Ь, мм 100,0 100,0
Размер круглого калибра:
высота к, мм 5,5 5,5
выпуск калибра ф, град. 27 27
Диаметр валков, мм 166 166
Межвалковый зазор, мм 0,8 0,8
Степень относительной деформации, % 24 30
Температура заготовки , °С 1000 1000
Скорость прокатки, м/с 5...120 5.120
Показатель трения 0,4 0,4
Ввиду симметрии процесса рассматривалась 1/4 модель очага деформации. Для моделирования использовалась прямоугольная сетка. Количество элементов для задачи с системой овал-круг составило 8200, число узлов - 10653, для системы плоский овал-круг - 9200 элементов и 12060 узлов (рис. 1).
Расчет осуществлялся вдоль оси х. Начало координат соответствует точке симметрии модели. Величина расчетного шага устанавливалась одинаковой и равной 10-6 с для обеих схем.
С целью оценки напряженного состояния в очаге деформации при прокатке проводился анализ распределения компонентов напряжений: охх, оуу, о22, оху, оух, оу2, а2у,ох2, о2х в различных объемах прокатываемой заготовки, а также интенсивности напряжений, определяемой по:
где О1, О2, 03 - главные напряжения [7].
б
Рис. 1. Конечно-элементная модель прокатки катанки по схемам овал-круг (а) и плоский овал-круг (б)
Численное моделирование на основе метода конечных элементов в среде ББРОКМ-3Б позволяет оценить распределение напряжений в очаге деформации и их величину при различных условиях прокатки, а также другие деформационные показатели. Были проанализированы показатели напряженного состояния, интенсивность напряжений и скоростей деформации.
Результаты моделирования прокатки показали, что распределение интенсивностей напряжений и скоростей деформации в очаге для схем овал-круг и плоский овал-круг при прочих равных условиях имеет схо-
жий характер. Результаты моделирования для прокатки по схеме овал-круг представлены на рис. 2.
Рис. 2. Результаты моделирования прокатки по схеме овал-круг при скорости прокатки 120 м/с: а - интенсивность напряжений; б, в - распределение напряжений о^; г - распределение напряжений Оуу; д - интенсивность скоростей деформаций
Анализ полученных результатов для высокосортной прокатки по схеме овал-круг показывает, что напряженное состояние в очаге деформации крайне неравномерно. Интенсивность напряжений максимальна в приконтактном слое на входе в очаг, а также в центре раската в средней части очага деформации (см. рис. 2, а). В этих слоях интенсивность напряжений достигает значений 420...470 МПа для данных условий прокатки, в то же время в остальном объеме деформируемого металла напряжения изменяются от 300 до 400 МПа. Распределение интенсивно-стей скоростей деформации имеет подобный характер (см. рис. 2, е), а их величина указывает на ударный характер деформирования. В центре раската, а также на входе в очаг деформации интенсивность скоростей составляет 6500.9000 1/с, в остальном объеме - от 1000 до 4500 1/с.
На рис. 3-5 представлено распределение напряжений Охх и Оуу в разных слоях металла (центральный, приконтактный, промежуточный) в плоскости X0Z очага деформации при прокатке со скоростью 5 и 120 м/с по разным схемам. Вход в геометрический очаг деформации соответству-
ет x = -16,7 и -16,1 мм для схем овал-круг и плоский овал-круг, соответственно, выход - x = 0.
б
Рис. 3. Распределение напряжений Охх в разных слоях очага деформации в плоскости Х02 при прокатке по схеме овал-круг: а - скорость прокатки 5 м/с; б - скорость прокатки 120 м/с
Анализ распределения продольных напряжений охх при прокатке по схеме овал-круг показывает, что распределение напряжений имеет схожий характер при скоростях прокатки 5 и 120 м/с (см. рис. 3). Однако при этом величина их при высокоскоростном деформировании выше. В центральном и приконтактном слое металла напряжения разноимённые на входе и выходе, минимальны и практически одинаковы в средней части очага деформации. В области захвата металла валками в приконтактном слое преобладают сжимающие напряжения, значение которых достигают 400 и 250 МПА при 120 и 5 м/с, соответственно, в центральном
слое - растягивающие - до 170 и 100 МПа. На выходе: в приконтактном слое - растягивающие до 300 МПа при 120 м/с и до 200 МПа при 5 м/с; в центральном - сжимающие до 200 и 120 МПа. Подобный характер распределения продольных напряжений можно объяснить влиянием внешнего трения и особенностей течения металла при прокатке.
Рис. 4. Распределение напряжений Охх в разных слоях очага деформации в плоскости Х02 при прокатке по схеме плоский овал-круг
Распределение продольных напряжений ахх при прокатке по схеме плоский овал-круг представлено на рис. 4. В центральном слое преобладают сжимающие напряжения, протяженность зоны действия растягивающих напряжений при этом незначительна по сравнению со схемой овал-круг. В приконтактном слое металла большой величины достигают растягивающие напряжения во внеконтакной зоне до входа в очаг деформации, а также на выходе.
Таким образом, прокатка по обеим схемам характеризуется неравномерным распределением продольных напряжений в очаге деформации. При этом в приконтактном и центральном слое объема металла присутствуют как сжимающие, так и растягивающие напряжения, достигающие высоких значений особенно при высокоскоростной прокатке. С ростом скорости прокатки продольные напряжения в большей степени возрастают в приконтактном слое.
Следует отметить, что при прокате по обеим рассматриваемым схемам с ростом скорости прокатки возрастает влияние внешних зон, о чем свидетельствуют высокие растягивающие напряжения, действующие во внеконтакных объемах металла на входе и выходе очага деформации.
а
б
Рис. 5. Распределение напряжений Оуу в разных слоях очага деформации в плоскости Х02; а - прокатка по схеме овал-круг, 120 м/с; б - прокатка по схеме плоский овал-круг, 120 м/с
На рис. 5 представлено распределение напряжений Оуу в очаге деформации в плоскости Х02 при высокоскоростной прокатке по схемам овал-круг и плоский овал круг. Распределение поперечных напряжений при прокатке по обеим схемам также неравномерно. В объеме металла присутствуют как сжимающие, так и растягивающие напряжения. При прокатке по схеме овал-круг практически по всему очагу напряжения оуу в приконтактных слоях имеют сжимающий характер, при этом их значения достигают 350...450 МПа и максимальны на входе (см. рис. 5, а). В то время, как в центральном слое на протяжении более половины длины очага деформации действуют растягивающие напряжения, достигающие 100 МПа, которые также максимальны на входе. На протяжении осталь-
ной длины очага поперечные напряжения в центральном слое меняют знак на противоположный.
Таким образом, на выходе по всему объему металла, вследствие сдерживающего воздействия стенок калибра действуют только сжимающие напряжения Оуу. При прокатке по схеме плоский овал-круг зона действия растягивающих напряжений в центральном слое незначительна (см. рис. 5, б). По сравнению с предыдущей схемой в большей степени преобладают сжимающие напряжения. При этом разница между прикон-такным и центральным слоем не столь значительна.
Для оценки напряженного состояния во всем объеме металла рассмотрены поля напряжений схх в различных поперечных сечениях очага деформации на одном расчетном шаге (рис. 6).
б
Рис. 6. Распределение напряжений ахх в разных сечениях очага деформации при прокатке по схеме овал-круг (а) и плоский овал-круг (б) при скорости 120 м/с
а
Как видно из рис. 6, в процессе деформации металла по обеим схемам поля напряжений изменяются на протяжении всего очага деформации по высоте и по ширине калибра. Характер подобной неравномерности зависит от особенностей процесса прокатки: формы и размеров исходного профиля и калибра, степени обжатия, диаметра валков, внешнего трения, температуры, скорости деформации. Практически во всех сечениях действуют растягивающие напряжения, как в центральных объемах металла, так и на боковых гранях. Особенно велики продольные растягивающие напряжения на боковых гранях раската, прокатываемого по схеме овал-круг.
Выводы
Влияние напряженного состояния на качество катанки и технологичность производства проволоки из нее в настоящее время изучено недостаточно, однако постоянно растущие требования к повышению конкурентоспособности продукции, а также влияние таких технологических факторов, как высокие скорости прокатки, ускоренное охлаждение и низкотемпературная прокатка предопределяют развитие технологии производства катанки с учетом оценки влияния напряженного состояния и управление им через режимы деформирования.
В результате конечно-элементного моделирования показано, что напряженное состояние в очаге деформации при прокатке по схеме овал-круг и плоский овал-круг крайне неравномерно. В очаге деформации присутствуют как сжимающие, так и растягивающие напряжения. Причем, при прокатке по схеме овал-круг растягивающие напряжения приобретают несколько большее развитие.
Увеличение скорости прокатки способствуют повышению напряжений в большей степени в приконтактных слоях металла, что увеличивает общую неравномерность. При этом при скорости прокатки 100.. .120 м/с интенсивность скоростей деформации достигает значений 5000.10000 1/с, что соответствует ударной нагрузке. Особенности такого характера деформации при проектировании технологии производства катанки в настоящее время не учитываются.
Результаты моделирования также показали, что форма калибра и прокатываемой полосы является эффективным инструментом управления напряженным состоянием в очаге деформации. Это дает возможность совершенствовать схемы прокатки в направлении разработки новых калибровок, применении нетрадиционных систем, например плоский овал-
круг, гладкая бочка-круг, либо использовании многовалковых систем, которые имеют определенные преимущества по сравнению с прокаткой в двухвалковых калибрах.
Библиографический список
1. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности: учеб. пособие для вузов. М.: Металлургия, 1987. 352 с.
2. Чумаченко Е.Н., Логашина И.В., Тулупов С.А., Аксенов С.А. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния полосы при прокатке в калибрах // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им Г.И. Носова. 2004. № 4 (8). С. 43 - 52.
3. Морозов С.А. Математическое моделирование трехмерного напряженно-деформированного состояния металла в очагах деформации при сортовой прокатке // Известия вузов. Черная металлургия. 2003. № 3. С. 29 - 32.
4. Мейерс М.А., Мурр Л.Е. Ударные волны и явления высокоскоростной деформации. М.: Металлургия, 1984. 512 с.
5. Жучков С.М., Горбанев А.А. Современные проволочные станы. Тенденции развития технологии и оборудования. Улучшение структуры и свойств катанки, повышение точности размеров // Черная металлургия. 2006. № 9. С. 46 - 53.
6. Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков: учеб. пособие для вузов. М.: Теплотехник, 2008. 490 с.
7. Колмогоров В.Л. Механика ОМД. М.: Металлургия, 1986. 687 с.
УДК 621.771
Г.В. Щуров, Э.М. Голубчик, А.В. Хохлов
ФГБОУВПО «МГТУ», г. Магнитогорск
ПРИМЕНЕНИЕ АДАПТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОИЗВОДСТВА ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА В УСЛОВИЯХ ОАО «ММК»
Для производителей металлопродукции, обладающей глубокой степенью переработки в настоящих экономических условиях достаточно актуальной остается проблема обеспечения высокой конкурентоспособности за счет повышения качественных показателей, причем, гарантируемых во всем объеме поставки. Одним из видов такой продукции, широко востребованной на рынке, является холодногнутый профиль [1].
