CC BY
13
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 669.295:621.771.25
ПУТИ РАСШИРЕНИЯ СОРТАМЕНТА И СНИЖЕНИЯ СЕБЕСТОИМОСТИ ПРУТКОВ И ПРОВОЛОКИ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Ю.М. Сигалов, канд. техн. наук, Ю.Б. Бахтинов, канд. техн. наук, А.Н. Козлов (ОАО ВИЛС, e-mail:[email protected])
Проведено исследование низкотемпературной прокатки титановых сплавов с использованием проверенных формул, дающих хорошее совпадение с экспериментальными данными. Предложена новая технология прокатки высокопрочного сплава ВТ16 без перегрузок электрооборудования прокатного стана.
Ключевые слова: низкотемпературная прокатка, высокопрочные титановые сплавы, энергосиловые параметры, инженерные расчеты, температура полиморфного превращения, коэффициент формы заготовки.
Ways of Extension of Range of Products and a Reduction in Production Costs of Titanium Alloy Rods and Wire. Yu.M. Sigalov, Yu.B. Bakhtinov, A.N. Kozlov.
Low-temperature rolling of titanium alloys has been investigated with the use of checked formulae which give good agreement with experimental data. A new technology for rolling of VT16 high-strength titanium alloy without overloads of electrical equipment of the rolling mill has been offered.
Key words: low-temperature rolling, high-strength titanium alloys, energy-and-force parameters, engineering calculations, polymorphic transformation temperature, semifinished rolled stock shape factor.
Мелкосортный прокатный стан 250 в ОАО ВИЛС состоит из трех линий клетей:
- черновой прокатки «500» в составе одной клети 500 для прокатки кованой заготовки круг 0 130 мм из сплава ВТ16 в овал 24x66 мм;
- промежуточной прокатки «300» в составе трех клетей 300 для прокатки из овала 24x66 мм квадратного прутка сечением 14,5 x 14,5 мм ;
- чистовой прокатки «250» в составе шести клетей 280 для прокатки катанки диаметром 8 мм.
В настоящее время на линии черновой прокатки «500» применяют высокотемпературную деформацию, выше температурной границы полного полиморфного превращения сплава (ТПП) на 50-120 °С с целью снижения нагрузки на основное оборудование по усилию P, моменту прокатки М и мощности электродвигателя N.
Среднее значение температурной границы полного полиморфного превращения (а+#)-# для типовых высокопрочных титановых спла-
вов составляет (ТПП±15 °С): ВТ16 - 880 °С, ВТ14 - 920 °С, ВТ6 - 970 °С, ВТ3-1 - 980 °С.
По первому варианту выбора режимов высокотемпературной деформации приняли температуру начала прокатки для сплава ВТ16 с превышением ТПП на 50 °С.
Наибольшее значение сопротивления деформации для температуры начала прокатки 930 °С и скорости деформации 10 с-1 высокопрочного сплава ВТ16, по данным работы [1],
"930 °с=108,5 МПа.
Для проведения исследований энергосиловых параметров и выбора режимов деформации в 2-валковых калибрах при высокотемпературной прокатке без перегрузки оборудования линии черновой прокатки «500» необходимо использовать достоверно проверенные методики, дающие хорошее совпадение с экспериментальными данными.
Среднее давление определяем, пользуясь методикой А.И. Целикова при прокатке прутков со свободным входом и выходом полосы из валков [2]:
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2010
73
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Рс -1Д5п"сттаХ1„,
(1)
где omaxTi - наибольшее значение сопро-
тивления деформации, по данным работы [1];
п[ ^(/,Д>,:)1/1 - коэффициент напряженного
состояния для случая прокатки 1 /1 <1,0;
д с
п[ =
1 + --^ 6 h
с
- коэффициент напряженного
состояния для случая прокатки 1 /h >1,0;
д c
1 - длина дуги захвата; hc - средняя высота полосы.
Для расчета средней скорости деформации чаще всего пользуются формулами:
C. Экелунда [3]
j = 2у. [Ah 2 vh [Ah
с h0 + h1\ R h0+h1 1 + Sh\ R
Б.П. Бахтинова [4]
и ^vB(l + Sh)X-l^vh 8-1
c К x ia x ’
(2)
(3)
А.И. Целикова [5]
. (4)
' 'О 1д
В уравнениях (2-4) коэффициент опережения [6]
(5)
где
^ - коэффициент трения;
8 - коэффициент вытяжки;
vh - скорость полосы на выходе из валков.
Наиболее точной и простой считается формула А.И. Целикова, которая, однако, не учитывает влияния уширения на скорость деформации. Особенно сильно сказывается влияние уширения при сортовой прокатке. Для иллюстрации рассмотрим следующий случай. В чистовых клетях проволочного стана 250 овал 5,6x13 мм прокатывается в круг
0 8 мм со скоростью выхода катанки из валков vh=8 м/с. Остальные параметры прокатки: коэффициент вытяжки 8=1,19; коэффициент опережения 1+Sh=1,03; абсолютное обжатие Ah=13-8=5 мм; относительная деформация > =Ah/bов=5/13=0,38; катающий радиус Як=137 мм; длина дуги захвата
/ч = /RKA/i - >/137-5 - 26 мм.
По формуле С. Экелунда (2):
и,=-
8000
= 140 с 1,
13+8 1,03 V137 по формуле А.И. Целикова (4):
8000,
(Л
26
-0,38 = 117 с
-1
по формуле Б.П. Бахтинова (3):
80001,19-1 26 1,19
Из приведенного аналитического примера видно, что учитываемая поперечная деформация в формуле Б.П. Бахтинова оказывает заметное влияние на скорость деформации.
Формулы С. Экелунда и А.И. Целикова можно использовать для расчета Uc с учетом уширения полосы, если воспользоваться правом замены коэффициента обжатия 4 на коэффициент вытяжки 8, т. е. принять 4=8. При этом формула (4) примет вид формулы (3), а формула (2) примет вид
L \ I, ',(!++)
1п8.
(6)
Средняя скорость деформации по новой формуле (6) для вышеприведенного примера составит
__8000_| i9_5i g c-i
с 261,03
что меньше расчетной по формуле (2) С. Экелунда (Uc=140 c-1) и близка к результату по формуле (3) Б.П. Бахтинова (Uc=49 c-1).
Таким образом, для определения Uc при прокатке сортовых полуфабрикатов целесообразно пользоваться формулой (3) или новой формулой (6).
При плоской прокатке широких полос (прокатка листов) влиянием уширения на величи-
74
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4
2010
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
ну средней скорости деформации можно пренебречь, так как коэффициент вытяжки по своей величине бесконечно мало отличается от коэффициента обжатия, то есть Xs^. В этом случае, как и вообще при прокатке на широкополосных станах, для определения Uc можно пользоваться формулами С. Экелунда и А.И. Целикова.
Усилие прокатки определяли по уравнению:
р=Р/к. (7)
Контактная площадь при прокатке в двухвалковых калибрах
F=0,5(b0+b1)/fl, (8)
где b0, b1 - ширина полосы до и после прокатки.
Длину дуги захвата определяли по методу эквивалентной полосы, предложенному Ю.Б. Бахтиновым [7]:
а катающий радиус - по формуле:
(10)
где R0 - начальный радиус валка;
Rд - радиус валка по дну ручья;
t - зазор между валками.
Важное значение при разработке режимов деформации с целью снижения нагрузки на основное оборудование по усилию P, моменту М и мощности N при прокатке сортовых профилей имеют правильно выбранные расчетные зависимости. Большинство последних относятся к прокатке полос в гладких валках. Задача сразу усложняется при прокатке любой другой формы, кроме прямоугольной. Возьмем круг 0 130 мм, площадь поперечного сечения которого S =0,785d2=0,785-1302= =13266,5 мм2. Приведем круг относительно ширины (диаметра) к равновеликому по площади прямоугольнику. Приведенная высота прямоугольника
^„.^„/^=13266,5/130=102 мм2. Периметр приведенной полосы
П =2(d+h )=2(130+102)=464 мм.
пр пр. кр
Периметр круга
П =6d=3,14-130=408,4 мм.
кр
Отношение периметра круга к периметру равновеликой по площади полосы, приведенной относительно ширины круглой заготовки,
Пкр/ПпР=408-4/464=0,88=7с^,
где C =0,785 - коэффициент формы круга.
Таким образом, при разработке режимов деформации при прокатке сортовых полуфабрикатов должен быть введен корень квадратный из коэффициента формы заготовки, определяемого по методу описанных прямоугольников [8]. Сущность последнего заключается в том, чтобы решение вопроса о заполнении площади калибра каждый раз сводить к простейшему случаю прокатки прямоугольных профилей. Для этого вокруг калибра и заготовки проводят описанный прямоугольник. При таких условиях создается возможность точно учесть изменение площади полосы любого калибра и формы и рассчитать влияние этих факторов на изменение коэффициентов деформации по высоте, ширине и длине. Коэффициенты формы для вытяжных калибров простой формы (прямоугольной, круглой, овальной, шестигранной и др.) приведены в работе [7].
Если обозначить отношение площадей поперечного сечения подката S0 и калибра S1 к площади описанных вокруг них прямоугольников через Cfo и Cfi, то коэффициенты формы подката и калибра в общем случае определяются из следующих выражений:
С;. -S0/(S0)m^h0lJh0 , (11)
с, , (12)
где h0, h1 - высота подката и калибра;
h , h - приведенная высота подката и калибра.
Момент прокатки определяли по уравнению
М=2;Р1д. (13)
Коэффициент приложения плеча равнодействующей усилия прокатки на валки можно определить по формуле [9]:
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2010
75
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
(14)
Коэффициент приложения плеча равнодействующей усилия прокатки на валки по уравнению (14):
Проведем расчет энергосиловых параметров при прокатке заготовки из сплава ВТ16 диаметром d0=131,3 мм в высокотемпературном состоянии (при t0=930 °C) в овал b ,xh =143,7x95 мм, диаметр валков D=540 мм. Остальные параметры: Бкр0=13533 мм2; 8ов1=11330 мм2; Скр.0=0,785; Сов1=0,83; 8=1,195; скорость прокатки ув1=2 м/с; зазор между валками t1=10 мм.
Абсолютное обжатие
^1=Скр.0^кр.0- Сов.1hов.1 =
=0,785-131,3-0,83-95=24,2 мм.
Относительная деформация
A h±
24,2
г г1
'-'кр.Оикр.О
= 0,235.
0,785-131,3 Катающий радиус по уравнению (10):
RKl=265+0,5-10-0,5-957(883=226,8 мм. Длина дуги захвата по уравнению (9):
=82,2 мм.
Контактная площадь по уравнению (8): Рк1=0,5(131,3+143,7)82,2=11300 мм2. Скорость деформации по уравнению (6):
3 О
U = ———lnl,195=6,5 с 1.
0,0822
Сопротивление деформации, по данным работы [1],
"930 °c=108,5 МПа.
Параметр прокатки
у. = 2,45- ^^(0,726-0,15)езд(од^а726) 0,83
+0,35=0,57.
Обороты валков по калибровке
60\л
60-2,0
об/мин.
лО 3,14-0,54
Среднее давление по уравнению (1):
рс 1=1,15-1,13-108,5=
=141 МПа (14,1 кгс/мм2). Усилие прокатки по уравнению (7): Р1=14,1-11300=159330 кгс=1,59 МН. Момент прокатки по уравнению (13):
М1=2-0,57-159-0,0822= =14,9 тс-м (~0,15 МН-м).
Мощность двигателя
=
Min»i
0,975
14,9-70,7
0,975
- 1080 кВт.
Двигатель перегружен в
1080
500
2,1 раза.
По второму варианту приняли температуру начала прокатки для сплава ВТ16 до 1000 °С. Наибольшее значение сопротивления деформации для температуры начала прокатки 1000 °С и скорости деформации 10 с-1, по данным работы [1], а1000 °C=77 МПа.
Провели расчет энергосиловых параметров для новых условий прокатки: t0=1000 °C, v=1,5 м/c.
Обороты валков по калибровке
Коэффициент напряженного состояния по уравнению:
Л.1 =
60-1,5 __ л/
об/мин.
3,14-0,54
Среднее давление по уравнению (1): pc1=1,15-1,13-77=100 МПа (10 кгс/мм2). Усилие прокатки по уравнению (7): Р1=10-11300=113000 кгс=1,13 МН. Момент прокатки по уравнению (13):
76
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2010
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
М1=2-0,57-113-0,0822=10,6 тс-м (0,1 МН-м) Мощность двигателя
N дв.1 =
М\пв1 _ 10,6-53
- 576 кВт.
0,975 0,975
Итак, уменьшение скорости высокотемпературной прокатки на черновой линии «500» с 2 до 1,5 м/с и повышение температуры начала прокатки до 1000 °С (вместо 930 °С) снижают энергосиловые параметры при прокатке сплава ВТ16 по усилию в 1,41 раза, по моменту в 1,32, по мощности в 1,76 раза.
Характерной особенностью структуры металла при высокотемпературной деформации будет наличие однородного крупного рекристаллизованного #-зерна.
С целью измельчения крупных #-зерен и получения мелкозернистой структуры, а также повышения служебных характеристик продукции следует проводить деформацию при температурах двухфазной области сплавов (а+#), т.е. при низкотемпературной прокатке.
Режимы деформации ниже ТПП титанового сплава ВТ16 осуществляли на промежуточной линии «300» и чистовой линии «250». Для этого полосу сечением 45x50 мм после выхода из клети 500 охлаждали на отводящем рольганге линии черновой прокатки «500». После повторного нагрева на ЭКН и прокатки за один проход в клети 500 температура полосы, с одной стороны, снижалась, а с другой - при прокатке в клети трио № 2 линии «300» за три прохода, повышалась.
Наибольшее значение сопротивления деформации для температуры начала прокатки 800 °С и скорости деформации 10 с-1, по
ТПП-80 °С
=247 МПа.
данным работы [1],
Проведем расчет энергосиловых параметров при прокатке овала h0xb0=24x66 мм в ребровом квадратном калибре
мм (квадрат диаметр валков D=320 мм. Остальные параметры: S =1164 мм
h .x b =39,4x 37,6
р.кв1 р.кв1
28x28 мм),
2.
W760
Ср.кв1 0,59;
мм2; C =0,735; ов.о
8=1,53; скорость прокатки Ув1=2 м/с; зазор между валками t1=4 мм.
Абсолютное обжатие
Ah =C b -С h =
1 ов.о св.о р.кв1 р.кв1
=0,735-66-0,59-39,4=25,3 мм.
Относительная деформация Ah, 25,3
с —_____±__—_______
С ь
ов.о ов,о
= 0,52.
0,735-66
Катающий радиус по уравнению (10): Як1=160+0,5-4-0,5-39,4^/0,59 =147 мм. Длина дуги захвата по уравнению (9):
*«1 ~ yjftKl(^0-\/^0D.0 ~ Ч>.кв1-\/^р.кв1 ) =
= -^147(66^,735 - 39,4^0,59) = 61,8 мм.
Контактная площадь по уравнению (8):
F =0,5(Ь +Ь М =
=0,5(24+37,6)-61,8=1903 мм2. Скорость деформации по уравнению (6):
2,0
ц*=-
lnl,53 = 13,7 с
0,0618 Параметр прокатки
U _ ^д1
К 0,5(bo + hPKBl) 61,8
= 1,17>1,0.
0,5(66 + 39,4)
Коэффициент напряженного состояния
1 /д! „ . 61,8
n“1=l + -^i- = l+ , .
al 6 hc 0,5(66 + 39,4)
= 1,17.
Коэффициент приложения плеча равнодействующей усилия прокатки на валки по уравнению (14):
\|ц =2,45--^55(1,17-0,15)езд(0Д5"117) 1 0,59 v ’
+0,35=0,47.
Обороты валков по калибровке
+
п.1 =
60v1 _ 60-2,0
= 119 об/мин.
яО 3,14-0,32 Среднее давление по уравнению (1): рс1=1,15-1,17-247=321 МПа (32,1 кгс/мм2). Усилие прокатки по уравнению (7):
Р=32,1-1903=61086 кгс=0,61 МИ. Момент прокатки по уравнению (13):
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2010
77
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
М1=2-0,47-61-0,0618=3,5 тс-м (~0,04 МН-м). Мощность двигателя
N = М^
3,5-119
= 427 кВт.
0,975 0,975
Двигатель мощностью 500 кВт загружен
на
Общая степень деформации при низкотемпературном перекате овала с площадью сечения So=1164 мм2 в катанку 0 10 мм с
площадью сечения S =78,5 мм2 составляет
кр
100 %=93 %,
что гарантирует получение мелкозернистой структуры и повышение служебных характеристик изделий.
Существенным недостатком низкотемпературной прокатки является непрерывная прокатка круглых профилей в двухвалковых калибрах (дуо-калибрах) со скруткой (кантовкой) полосы на 90° при передаче ее из калибра в калибр, что снижает выход годного металла. Избавиться от этого недостатка можно, если перевести линию чистовой прокатки «250» на прокатку катанки с всесторонним обжатием в системе трехвалковых калибров с применением чистового 10-клетевого блока 215 конструкции немецкой фирмы «Кокс» или чистового 10-клетевого блока 230 отечественной фирмы ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения» (ЭЗТМ). Чистовой 10-клетевой блок обеспечивает общую вытяжку 8 =4,1. Средняя вытяжка за проход
Определим размер подката чистового 10-клетевого блока при прокатке катанки круг d10=8 мм:
d0 = of10= 8Т4Д = 16,2 мм.
Прокатка прутков 0 16,2 мм действующей калибровкой мелкосортного прокатного стана 250 предусмотрена в клети № 4 линии промежуточной прокатки «300», что создает трудности с передачей полосы в чистовой 10-клетевой блок трехвалковых клетей, установ-
ленный за линией чистовой прокатки «250». Уменьшаем количество клетей в блоке на две клети. Тогда диаметр подката для нового 8-клетевого блока с общей вытяжкой
8 - =88=1Д58=3,06 составит
d0 = d§1/8^" = 8^3,06 = 14 мм.
Прокатка прутков 0 14 мм действующей калибровкой предусмотрена в клети № 6 линии чистовой прокатки «250», что упрощает передачу полосы в чистовой блок трехвалковых клетей.
Для осуществления нового режима деформаций в трехвалковых калибрах необходимо установить в линию стана 250 8-клетевой блок для прокатки катанки 0 8 мм из подката круг 0 14 мм, поступающего из клети № 6 линии чистовой прокатки «250», как это схематически показано на рисунке. Это позволит:
- исключить скрутку полосы при непрерывной прокатке и тем самым исключить появление поверхностных дефектов;
- повысить однородность микроструктуры и механических свойств по сечению прутка;
- стабилизировать геометрические размеры по длине полосы;
- сузить поле допуска по диаметру с ±0,4 до ±0,15 мм на готовую продукцию;
- увеличить выход годного при прокатке за счет проведения полной модернизации ;
- сократить долю ручного труда на прокатном стане;
- снизить себестоимость продукции.
Установка чистового 10-клетевого блока
трехвалковых клетей (вместо 8-клетевого) позволит расширить сортамент производимых прутков от 50 до 4 мм и сократить количество операций по калибровке проката.
Установку чистового 10-клетевого блока трехвалковых клетей можно осуществить без длительной остановки прокатного стана.
Новая технология прокатки высокопрочных титановых сплавов в 3-валковых калибрах позволяет сохранить действующую технологию прокатки катанки из алюминия и алюминиевых сплавов в 2-валковых калибрах (дуо-калибрах) мелкосортного стана 250 ОАО ВИЛС.
78
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4
2010
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. и др//В кн.: Полуфабрикаты из титановых сплавов. - М.: ВИЛС, 1996. - 581 с.
2. Бахтинов Ю.Б., Комаров В.М., Макеев Ю.Н.
Расчет температурного режима прокатки профилей из алюминиевого сплава В65 на обжимной линии 500 стана «250» ОАО ВИЛС//Произ-водство проката. 2001. № 9. C. 15-21.
3. Ekelund S. Nagra dynamiska foer hallanden vid Valsching, Jernkontorets Annaler. 1927. № 2; Steel, 1933. Aug, 21 - oct. 2.
4. Бахтинов Б.П.//В кн.: Прокатное и трубное производство. - М.: Металлургиздат, 1958. C. 1030.
5. Целиков А.И. Основы теории прокатки. - М.: Металлургиздат, 1965. - 248 с.
6. Бахтинов Ю.Б. Расчет уширения по длине очага деформации//Производство проката. 2003. № 7. С. 2-8.
7. Северденко В.П., Бахтинов Ю.Б., Бахтинов В.Б. Валки для профильного проката. - М.: Металлургия, 1979. - 224 с.
8. Бахтинов Б.П., Штернов М.М. Калибровка прокатных валков. - М.: Металлургиздат, 1953. -784 с.
9. Бахтинов В.Б., Бахтинов Ю.Б. Производство экономичных профилей. - М.: Металлургия, 1984. - 322 с.
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2010
79
