CC BY
103В.А. Харитонов, И.В. Таранин
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ КАЛИБРОВОК ВАЛКОВ ДЛЯ ПРОКАТКИ ЗАГОТОВКИ ПОД ВОЛОЧЕНИЕ
В статье представлены направления повышения эффективности производства проволоки на основе совершенствования методики проектирования калибровки валков для прокатки заготовки под волочение. На основе результатов исследований, полученных с использованием средств компьютерного моделирования методом конечных элементов в среде Ов/огт-ЗО, сформулированы рекомендации проектирования режимов деформации и применения систем калибров при горячей прокатке катанки и холодной прокатке передельной проволоки.
Ключевые слова: калибровка валков, напряженно-деформированное состояние, растягивающие напряжения, прокатка-прессование, сдвиговая деформация
Свойства стальной проволоки и эффективность ее производства во многом зависят от свойств и «степени технологической готовности» исходной заготовки под волочение - катанки, к которой предъявляются высокие требования по микроструктуре, механическим свойствам, точности геометрических размеров и другим показателям. Катанку производят на специализированных непрерывных проволочных станах горячей прокатки. Прокатка в чистовых проходах может осуществляться как в двух-, так и в многовалковых клетях. Минимальный диаметр катанки, получаемой горячей прокаткой, составляет 5 мм. Дальнейшая ее переработка до готовой проволоки осуществляется холодной деформацией. В массовом производстве основным способом изготовления проволоки является волочение в монолитных волоках. Волочение, как способ ОМД, имеет
недостатки, связанные с неблагоприятной схемой напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, что существенно ограничивает возможности холодного деформирования, поэтому технологический процесс производства проволоки, как правило, включает два и более передела, разделенных операциями термообработки, необходимыми для восстановления пластичности металла.
Для повышения эффективности производства передельной проволоки и проволоки больших диаметров рациональным решением может стать замена способа волочения в монолитных волоках на холодную (теплую) прокатку. Для этого могут быть применены компактные двух- или многовалковые прокатные станы модульного типа. Способ холодной прокатки проволоки в нашей стране и за рубежом осваивали с 50-х по 80-е годы прошлого века. Прокатка по сравнению с волочением обеспечивает более благоприятную схему напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, снимает ограничения, связанные с контактными условиями и прочностью переднего конца заготовки, уменьшает количество дополнительных операций при заправке проволоки, что в совокупности приводит к повышению эффективности производства и улучшению комплекса механических свойств проволоки. Исследованию закономерностей деформации в многовалковых калибрах посвящены работы Полякова М.Г., Никифорова Б.А., Гуна Г.С., Баркова Л.А, Харитонова В.А, Шеркунова В.Г и др. Данный способ не нашел широкого промышленного применения из-за относительной сложности оборудования при сопоставимой фактической производительности по сравнению с волочением. На сегодняшний день данные проблемы имеют решения.
Эффективность процессов горячей прокатки катанки и холодной (теплой) прокатки передельной проволоки зависит от применяемых калибровок валков. Современные методики проектирования калибровок валков основаны на накопленном опыте применения тех или иных систем калибров и решают задачи получения требуемой точности размеров, стабильности процесса непрерывной прокатки, обеспечения необходимой вытяжной способности калибров при мак-
симально возможной равномерности формоизменения [1]. При этом тот факт, что прокатка в калиброванных валках характеризуется неравномерным напряженно-деформированным состоянием, вследствие чего в очаге деформации могут возникать растягивающие напряжения, которые оказывают негативное влияние на качество металла и его пластичность (деформируемость), в настоящее время при проектировании калибровок не учитывается. Принято считать, что напряженное состояние не оказывает негативного влияния на качество сортового проката при горячей прокатке, когда металл имеет достаточно высокие пластические свойства. Однако в тех случаях, когда прокатка в калибрах осуществляется при пониженных температурах (режимы термомеханической обработки, холодная или «теплая» прокатка) или обрабатываемый материал обладает низкой пластичностью (высоколегированные марки стали, сплавы цветных металлов), напряжения, возникающие в очаге деформации, могут привести к снижению качества проката, зарождению в металле микротрещин и его разрушению.
Процесс прокатки в двух- и многовалковых калибрах теоретически хорошо изучен с точки зрения механики процесса и деформированного состояния металла, однако литературные данные о напряженном состоянии металла в очаге деформации носят лишь качественный характер. В литературе встречаются отдельные работы по изучению напряженного состояния в процессах ОМД, но систематизированные исследования для прокатки в калибрах в настоящее время отсутствуют.
С учетом развития методов и средств компьютерного моделирования актуальной задачей на сегодняшний день является исследование влияния параметров деформирования металла в калиброванных валках на свойства проката и разработка на основе полученных результатов методики проектирования «свойствообразующих» систем калибров с учетом напряженно-деформированного состояния металла.
В данной статье представлены результаты исследований напряженно -деформированного состояния металла при горячей и холодной прокатке круг-
лого профиля в двух- и многовалковых калиброванных валках, полученных на основе компьютерного моделирования методом конечных элементов с использованием программного комплекса ВеЮгт-ЗЭ.
Общий характер напряженно-деформированного состояния при прокатке в калибрах
По результатам конечно-элементного моделирования определены общие закономерности распределения напряжений в очаге деформации при прокатке в калибрах. Установлено, что напряженное состояние металла крайне неравномерно, в очаге деформации действуют как сжимающие, так и растягивающие напряжения вне зависимости от систем используемых калибров. Растягивающие напряжения достигают наибольших значений в продольном направлении прокатки. Действие данных напряжений обусловлено неравномерностью течения металла между контактирующими с инструментом зонами и остальным объемом металла. Можно выделить четыре зоны действия продольных растягивающих напряжений в очаге деформации (рис. 1):
- Зона I - осевая зона металла на протяжении от входа до 20-90% длины очага деформации (протяженность зоны зависит от схемы прокатки). Действие осевых продольных растягивающих напряжений обусловлено неравномерным деформированным состоянием в металле на расстоянии 10-15% от входа в очаг деформации. В данных сечениях заготовки деформация локализована в прикон-тактных слоях, соответственно в центре проката возникают продольные растягивающие напряжения. Наличие данной зоны характерно для всех многовалковых систем калибров, а также для двухвалковых систем при прокатке по схемам «неравноосное-равноосное» или «неравноосное-неравноосное» сечение.
В многовалковых системах на величину осевых напряжений оказывает влияние схема всестороннего обжатия металла. При всесторонней деформации приконтактных слоев возникает соответствующее отставание слоев металла в центральной зоне, компенсируемое растягивающими напряжениями.
- Зона II - внеконтакная зона по всей боковой поверхности проката в местах разъемов калибра. Наличие зоны характерно для всех систем калибров. Действие растягивающих напряжений во внеконтакных областях на боковой поверхности раската является общеизвестным фактом [2]. Неконтактирующие с инструментом объемы металла деформируются за счет возникающих растягивающих напряжений.
- Зона III - внеконтакная зона по всей поверхности проката на выходе из очага деформации. Наличие зоны характерно для всех систем калибров. Действие растягивающих напряжений в данной зоне связано с явлением «опережения» при прокатке. Внутренние слои металла стремятся «выйти» из очага деформации с большей скоростью по отношению к линейной скорости вращения валков, которые в свою очередь «сдерживают» это течение. В результате в при-контактных слоях возникают продольные растягивающие напряжения.
- Зона IV - внеконтакная зона на входе в очаг деформации. Наличие зоны зависит от схемы прокатки.
Рис. 1. Зоны действия продольных растягивающих напряжений в очаге деформации при продольной прокатке в калибре
Для оценки влияния напряжений на свойства прокатываемого изделия использовали критерий разрушения Кокрофта-Латама, характеризующий запас пластичности металла:
где £1 - интенсивность деформаций по Мизесу; О * - максимальное главное напряжение; <гг - интенсивность напряжений по Мизесу.
Анализ распределения полученных значений критерия разрушения П по сечению прокатываемой заготовки показал, что наиболее подвержены разрушению внеконтакная и осевая зоны металла (разъемы калибра и центр заготовки). Значения критерия разрушения В в данных зонах в десятки раз выше, чем в остальном объеме металла (рис. 2). Таким образом, наибольшее влияние на запас пластичности металла оказывают осевые напряжения в зоне I и внеконтакт-ные в зоне II очага деформации.
Деформированное состояние металла хорошо изучено как для двух-, так и для многовалковых систем калибров [3]. Полученные на основе моделирования результаты подтверждают известные закономерности. Для прокатки в двухвалко-
Рис. 2. Распределение значений критерия разру- вых системах характерна
шения В по сечению квадратного профиля, про- высокая неравномерность
катанного в четырехвалковом калибре деформации по всему сече-
нию прокатываемой полосы, интенсивность деформации максимальна в центральной части проката и минимальна во внеконтакт-ных зонах. При прокатке в многовалковых системах деформация распределяется более равномерно. На рис. 3 представлен анализ распределения значений интенсивности деформаций Мизеса по высоте и ширине прокатываемой в различных системах калибров полосы.
Рис. 3. Распределение интенсивности деформации Мизеса по высоте (а) и ширине (б) проката в различных системах калибров (степень дефорации одинакова)
Анализ традиционно применяемых систем калибров
Для выявления значимых элементов калибровки, влияющих на напряженное состояние в отмеченных зонах очага деформации, моделировали горячую и холодную прокатку по известным традиционно применяемым системам двух- и многовалковых калибров. При этом параметры прокатки: материал заготовки, скорость обработки, условия трения - оставались постоянными. Изме-
няли форму калибра и заготовки, степень заполнения калибров и степень деформации.
По результатам сравнительного анализа двухвалковых и многовалковых систем калибров установлено, что величина осевых продольных растягивающих напряжений в двухвалковых системах зависит от соотношения осей прокатываемой заготовки: чем больше данное соотношение, тем больше неравномерность деформации по высоте проката и выше растягивающие напряжения в центре. При прокатке по схеме равноосное-неравноосное сечение осевые продольные растягивающие напряжения в металле отсутствуют. Сравнительный анализ систем однорадиусный овал-круг и плоский овал-круг показал, что уровень осевых напряжений при прокатке плоского овала в круглом калибре на 40-60% ниже, чем при прокатке однорадиусного овала (рис. 4, а)
Все многовалковые системы калибров по сравнению с двухвалковыми характеризуются более высокими осевыми растягивающими напряжениями (напряжения выше на 15-75%) из-за всестороннего обжатия заготовки. Соответственно снижение запаса пластичности в центральных слоях металла при прокатке в многовалковых системах в процессе прокатки происходит интенсивнее.
Внеконтактные растягивающие напряжения (зона II) достигают наибольших значений при прокатке в двухвалковых системах калибров. Величина данных напряжений зависит от «степени охвата» заготовки валками по всей длине очага деформации. Чем меньше боковая неконтактная поверхность, тем меньше растягивающие напряжения и больше запас пластичности металла в данных зонах.
При проведении сравнительного анализа прокатки по схемам однорадиусный овал-круг и плоский овал-круг установлено, что использование плоского овала предпочтительно. Величина растягивающих напряжений в зоне разъемов калибров в данном случае ниже на 15-30% по сравнению со схемой однорадиусный овал-круг (рис. 4, б).
Однорадиусный овал-круг Плоский овап-круг
Рис. 4. Растягивающие продольные напряжения в зонах I (а) и II (б) и при моделировании горячей прокатки по схемам «однорадиусный овал-круг» и «плоский овал-круг»
Большинство многовалковых систем позволяют снизить внеконтактные напряжения в зонах разъемов калибра. Благодаря многостороннему обжатию и большему «охвату» по периметру полосы зоны внеконтактной деформации минимальны, соответственно меньшие объемы металла подвергаются растяжению.
На примере прокатки по схеме круг-квадрат в четырехвалковом калибре проведено исследование влияния степени деформации и заполнения калибра на характер и величину растягивающих напряжений в осевой и внеконтакных зонах очага деформации. По результатам моделирования отмечено, что с увеличением степени деформации зоны I и II действия растягивающих напряжений увеличиваются, при этом максимальные значения напряжений практически не изменяются. При этом вероятность разрушения металла возрастает на боковой внеконтакной поверхности проката интенсивнее, чем в осевой зоне (рис. 5).
Критерий разрушения
0,4 0,35 0;3 0,25 0;2 0Л5
од
0,05 0
1.15 1Д5 1=35 1:45 1:55
Коэффициент вытяжки
о Центральная зона -В-Зона разъема
Рис. 5. Влияние степени деформации на запас пластичности металла в зонах I и II при прокатке круглого профиля в квадратном калибре
При анализе данных результатов необходимо учитывать, что при непрерывной прокатке внеконтакные зоны металла могут обновляться (чередоваться) от прохода к проходу, тогда как осевая зона деформируется в неблагоприятных условиях в каждом проходе.
Полученные по результатам моделирования данные согласуются с экспериментальными результатами холодной прокатки в системе калибров круг-квадрат. На рис. 6 представлен образец труднодеформируемого металла, прокатанного из исходной круглой заготовки в квадратном четырехвалковом калибре. Как видно из рисунка, образец «изрезан» поперечными трещинами по ребрам квадрата.
Рис. 6. Образец трудноде-формируемого металла, полученный при экспериментальной прокатке по схеме круг-квадрат
Анализ «новых» систем калибров
С целью определения возможности управления напряженно-деформированным состоянием металла при прокатке проведен сравнительный анализ традиционно применяемых и «новых» (ранее неприменяемых) систем калибров (рис. 7) (для удобства анализа и систематизации получаемых данных каждой из рассмотренных схем прокатки присвоен порядковый номер).
Системы № 1-3 традиционно применяются при многовалковой прокатке, остальные схемы прокатки не получили массового распространения из-за малой изученности и описаны в авторских свидетельствах [4-10].
Рис. 7. Анализируемые системы калибров
Результаты анализа представлены в таблице 1. Установлено, что характер распределения растягивающих напряжений в очаге деформации при прокатке по всем рассмотренным схемам аналогичен, при этом среди рассмотренных
схем выявлены системы калибров, выгодно отличающиеся по отдельным показателям от традиционно применяемых калибровок. Так, системы №5, 14, 16 позволяют получать проволоку с высоким запасом пластичности в осевой части заготовки, а система №12 - в зоне разъема калибров. Системы №2, 6, 13, 15 обладают высокой вытяжной способностью наряду с относительно благоприятными показателями напряженно-деформированного состояния.
Таблица 1
Данные сравнительного анализа систем калибров
Калибровка Вы- тяжка V Продольные напряжения, МПа Критерий разрушения О
Центр (Зона I) Разъем (Зона II) Центр Разъем
Система №1 1,33 425 595 0,07 0,17
Система №2 1,49 540 511 0,08 0,21
Система №3 1,43 536 622 0,09 0,19
Система №4 1,29 237 1100 0,07 0,22
Система №5 1,43 320 930 0,02 0,26
Система №6 1,42 610 739 0,10 0,22
Система №7 Полоса неустойчива в калибре
Система №8 Полоса неустойчива в калибре
Система №9 1,42 380 928 0,09 0,30
Система №10 1,41 527 600 0,13 0,18
Система №11 1,42 517 847 0,09 0,26
Система №12 1,29 535 520 0,07 0,07
Система №13 1,46 517 528 0,10 0,21
Система №14 1,26 277 1050 0,03 0,21
Система №15 1,40 539 610 0,09 0,18
Система №16 1,35 436 970 0,05 0,23
Величина напряжений во внеконтактной зоне деформации зависит от формы боковой поверхности заготовки и, как уже отмечалось, «степени охвата»
металла по всей длине очага деформации. Наилучшие условия деформирования внеконтакных зон получены в системе №12 при прокатке заготовки с вогнутыми гранями и всесторонним «охватом» на всей протяженности очага деформации. Наихудшие условия деформирования внеконтакных зон наблюдаются в системах №4, 5, 9, 11, 14, 16 с большой зоной «свободной» поверхности.
Учитывая преимущества и недостатки каждой схемы прокатки с точки зрения напряженного состояния в очаге деформации, можно проектировать более эффективные системы калибровки валков в зависимости от особенностей оборудования, технологии, обрабатываемого материала и других факторов.
Что касается деформированного состояния, то поскольку способ продольной прокатки в калибрах относится к монотонным процессам, возможности управления пластическим течением металла в технологических процессах производства сортового проката, в том числе и катанки, существенно ограничены. Потенциал пластической деформации как способа управления структурными преобразованиями в металле при сортовой прокатке используется не в полной мере.
Для измельчения микроструктуры катанки или передельной проволоки может быть использован способ продольной прокатки в двухвалковых калибрах, нарезанных на конических валках (рис. 8).
Анализ полей сдвиговых деформаций в поперечно-вертикальной плоскости уу2, выполненный при моделировании, показал, что прокатка в неравноосных двухвалковых калибрах, выполненных с углом скоса 30°, способствует уве-Рис. 8. Скошенные калибры личению сдвиговых деформаций в
поперечном сечении металла более чем в 3 раза. Высокие значения уу2 являются характеристикой дополнительного макросдвига одной части
заготовки относительно другой по плоскости, наклоненной на определенный угол. Применение скошенных неравноосных калибров при сортовой прокатке обеспечивает наличие дополнительных сдвиговых деформаций в прокатываемой заготовке без увеличения степени относительной деформации. Высокая интенсивность деформации сдвига влияет на измельчение зерна металла, улучшение его структуры и комплекса механических свойств.
Данный способ можно рекомендовать к применению как в процессах горячей прокатки сортового проката и катанки, так и холодной прокатки круглой заготовки под волочение.
Влияние способа подвода энергии на напряженное состояние
Для снижения продольных растягивающих напряжений в металле при производстве проволоки может быть применен комбинированный способ прокатка-прессование. При данном способе деформация осуществляется поочередно в приводных, а затем за счет проталкивающего усилия в неприводных валках. Схожий способ применяется при горячей прокатке сортовых и фасонных профилей. Применению данного способа посвящены многочисленные работы украинских и отечественных ученых (С.М. Жучков, Л.В. Кулаков, Э.В. Сивак, А.П. Лохматов, В.Н. Перетятько, А.Р. Фастыковский и др.). Использование сочетания приводных и неприводных клетей позволяет уменьшить энергозатраты по сравнению с прокаткой со всеми приводными валками, упростить и удешевить прокатное оборудование и его эксплуатацию, тем самым снизить затраты на производство проволоки и повысить ее конкурентоспособность.
По результатам конечно-элементного моделирования установлено, что процесс прокатка-прессование (в компоновке приводная-неприводная клеть) обеспечивает более благоприятную схему напряженного состояния металла по сравнению с традиционной продольной прокаткой в приводных валках.
Благодаря проталкиванию заготовки через неприводные валки снижаются растягивающие продольные напряжения, действующие в следующих объемах металла (рис. 9):
а) в осевой зоне в неприводном калибре (снижение на 80%, в 4 раза);
б) в поверхностной зоне металла на выходе из очага деформации при прокатке в приводном калибре (снижение на 50%);
в) в зоне разъемов калибра неприводной клети (снижение на 20%).
I Прокатка ■ Прокатка-прессование
Рис. 9. Сравнительный анализ напряженного состояния металла в процессах продольной прокатки и прокатки-прессования
Значительное снижение растягивающих напряжений в очаге деформации показывает, как способ подвода энергии в очаг деформации влияет на схему напряженного состояния. При многовалковой прокатке продвижение металла через очаг деформации осуществляется за счет активных сил трения со стороны валков, при этом в металле возникают дополнительные напряжения в тех объемах, течение которых «отстает» (осевая и внеконтакные зоны) от приконтакных слоев металла. За счет применения неприводных валков и проталкивания заготовки через очаг деформации меняется характер течения приконтактных слоев, характер трения становится реактивным. В результате в объеме очага деформации снижается разность скоростей течения металла, соответственно снижается величина растягивающих напряжений.
При деформировании металла по способу «прокатка-прессование» по сравнению с обычной прокаткой на 100% (в два раза) повышается запас пластичности центральных слоев металла и на 20% - поверхностных, соответствующих контактной поверхности при первом проходе и разъему при втором. Наиболее подвержены разрушению поверхностные слои металла, соответствующие разъемам калибра в приводной клети. Зная это и учитывая осесимет-ричность заготовки (круглый профиль), при следующих проходах в приводных клетях валки можно располагать таким образом, чтобы зоны металла с наиболее сниженным запасом пластичности являлись контактирующими, т.е. деформировались в зоне благоприятной схемы напряженного состояния. Благодаря подобному управляемому снижению пластичности заготовки можно добиться повышения степени максимально возможной суммарной деформации при холодной обработке.
Данный способ промышленно опробован в условиях ОАО «БМК» при производстве проволоки диаметром более 8 мм [11].
Рекомендации проектирования систем калибров и процессов прокатки заготовки под волочение
На основе полученных результатов при проектировании процессов прокатки катанки и передельной проволоки можно дать следующие рекомендации:
1. Для минимизации величины растягивающих напряжений в центральной части проволоки (катанки) рационально применять двухвалковые системы калибров. Предпочтительно использование систем с меньшим отношением осей неравноосных калибров (например, система плоский овал-круг).
2. Для обеспечения равномерности деформации и микроструктуры в стали необходимо применять многовалковые системы калибров.
3. Для минимизации величины растягивающих напряжений в поверхностном слое внеконтактных зон целесообразно применять многовалковые системы калибров. При этом должны соблюдаться следующие условия:
- форма боковых граней заготовки должна быть прямой или вогнутой;
- калибр должен максимально «охватывать» контур заготовки по всей длине очага деформации, площадь внеконтактных зон должна быть минимальной;
- применение калибров с выпуклым дном не рекомендуется.
4. Для повышения пластичности металла по всему сечению рационально использовать комбинированные способы прокатки в двух и многовалковых системах калибров, а также способ прокатка-прессование (в компоновке при-водная-неприводная клеть).
5. Для получения мелкодисперсной структуры в сталях с достаточным уровнем пластичности, целесообразно использовать прокатку в двухвалковых неравноосных калибрах, нарезанных на конических валках. Прокатка в скошенных калибрах может быть реализована на непрерывных станах горячей и холодной прокатки.
Библиографический список
1. Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков: учебное пособие для вузов. Издание второе, переработанное и дополненное. М.: Теплотехник, 2010. 490 с.
2. Эффективность деформации сортовых профилей / С.А.Тулупов, Г.С.Гун, В.Д.Онискив, В.А.Курдюмова, К.Л.Радюкевич. М.: Металлургия, 1990. 280 с.
3. Поляков М.Г., Никифоров Б.А., Гун Г.С. Деформация металла в многовалковых калибрах / М.: Металлургия, 1979. 240 с.
4. А.с. 1475742 СССР, МКИ В21 В1/16. Система калибров для прокатки круглых профилей / Б.А.Никифоров, Вен.А.Харитонов, Вик.А. Харитонов и др. // БИ. 1989. №16. С. 54.
5. А.с.: 1399965 СССР, МКИ В21 В1/08. Система вытяжных трехвалковых калибров / Б.А.Никифоров, Вен.А.Харитонов, Вик.А. Харитонов и др. // БИПМ. 2001. №31. С. 412.
6. А.с.: 1349068 СССР, МКИ В 21 В 1/08. Система вытяжных многовалковых калибров / Б.А.Никифоров, Вен.А.Харитонов, Вик.А. Харитонов и др. // БИПМ. 2001. №31. С. 412.
7. А.с.: 1376332 СССР, МКИ В 21 В 1/08. Система вытяжных многовалковых калибров / Б.А.Никифоров, Вен.А.Харитонов, Вик.А.Харитонов и др. // БИПМ. 2001. №31. С. 412.
8. А.с.: 829218 СССР, МКИ В 21 В 1/08. Система вытяжных многовалковых калибров / Б.А.Никифоров, В.А.Харитонов, Г.П.Логийко и др. // БИ.1981. №18. С. 39.
9. А.с.: 1195517 СССР, МКИ В 21 В 1/08. Система вытяжных многовалковых калибров / Б.А.Никифоров, Вен.А.Харитонов, Вик.А.Харитонов и др. // БИПМ. 2001. №31. С. 412.
10. А.с.: 1135072 СССР, МКИ В 21 В 1/08. Система вытяжных трехвалковых калибров / Б.А.Никифоров, Вен.А.Харитонов, Вик.А.Харитонов и др. // БИПМ. 2001. №26. С. 373.
11. Освоение нового вида струнобетонной проволоки и пуск в эксплуатацию непрерывного шестиклетьевого стана с трехвалковыми калибрами в условиях БМК: Отчет о НИР / МГМИ. Магнитогорск, 1979. 72 с.
