» » Проблемы при производстве проката
06.02.2015

С использованием созданной математической модели разработана калибровка валков и режимы профилирования, что позволило в ЗАО «Группа «Норд» освоить промышленное производство облегченных по массе, со сниженным потреблением электроэнергии надежных холодильных приборов.
Одной из постоянно остающейся актуальной проблемой листопрокатного производства является управление шириной, плоскостностью и формой раскатов в плане.
Стремление повысить точность прокатки и прокатывать крупногабаритные листы (шириной до 5300 мм), освоение прокатки листов по контролируемым режимам обусловили создание рабочих клетей с опорными валками диаметрами до 2400 мм и рабочими до 1200 мм, с сечением стоек станин до 1м2. Сооружение таких прокатных станов требует больших капитальных затрат на изготовление самих станов и строительство здания, где их устанавливают. Таким зданиям требуется регулярный технический осмотр, так как появление дефектов недопустимо. На станах с указанными размерами валков становится проблематичным управление поперечным профилем и плоскостностью полос. В частности, при использовании противоизгиба валков требуемая сила регулирования может достигать половины силы прокатки. Кроме того, изготовление станин и валков указанных габаритов находится на грани технологических возможностей машиностроительных заводов.
В ДонНТУ группой ученых под руководством профессора Коновалова Ю.В. разработан новый способ прокатки, позволяющий уменьшить размеры валков и габариты прокатной клети, а также расширить возможности управления поперечным профилем, формой и шириной листа. Создана многорядная прокатная клеть (МРПК).
На рис. 182 показана принципиальная схема МРПК. Деформация раската в ней происходит в два этапа: сначала деформируют его краевые участки валковыми парами первого ряда, а затем - ранее недеформированный центральный участок валковой парой второго ряда с перекрытием раската по ширине. Величина перекрытия зависит от конкретных условий прокатки.
Проблемы при производстве проката

Из представленной схемы видно, что длина бочки валков существенно меньше ширины листа, а это позволяет уменьшить их диаметры и в ряде случаев отказаться от опорных валков. Расчеты показали, что масса валков при использовании многорядной клети уменьшается в 2-2,5 раза по сравнению с обычной клетью.
При прокатке в многорядной клети очаг деформации по ширине разнесен в разные плоскости: центральная пара валков (если прокатка начинается с нее) как бы внедряется в центральную часть раската, а внешние его части не подвергаются обжатию, но оказывают сдерживающее влияние на центральную часть до их попадания в крайние пары валков. Если прокатка начинается с крайних пар, то обжимаются крайние участки раската, а центральная часть оказывает сдерживающее влияние до попадания ее в среднюю пару валков.
Поперечная разнотолщинность в такой клети уменьшается за счет того, что она как бы дробится на три участка по ширине. Прогиб валков тоже меньше из-за их меньшей длины. Для управления поперечным профилем и плоскостностью листов можно использовать неодинаковое обжатие краевыми и центральной парами валков; скоростную асимметрию между валковыми парами; осевую сдвижку всех пар валков.
Широкие возможности открываются при использовании МРПК для управления шириной прокатываемого листа. На рис. 183 показаны возможные варианты размещения клетей и положения валков МРПК, позволяющие регулировать ширину раскатов.
Согласно закону наименьшего сопротивления все факторы, увеличивающие сопротивление продольному течению металла и соответственно продольное подпирающее напряжение σ3, приводят к уменьшению вытяжки и увеличению уширения. Это явление использовано при разработке способа регулирования ширины раската в многорядной прокатной клети, показанного на рис. 183 а.
Проблемы при производстве проката

Верхние и нижние валки одного из рядов расположены под углом а в горизонтальной плоскости к валку другого ряда. Один из концов крайних валков закреплен, что дает возможность изменить величину угла а. При повороте краевых валковых пар в горизонтальной плоскости на угол а увеличивается сопротивление продольному течению металла и соответственно продольное подпирающее напряжение σ3. Чем больше напряжение σ3, тем больше уширение. Процесс прокатки протекает следующим образом. Раскат (см. рис.183 а) обжимают вначале краевыми валковыми парами первого ряда, а затем центральной парой валков второго ряда. Валки размещены в станине, а их перемещение в вертикальной плоскости осуществляют нажимными винтами. Один из концов краевых валковых пар 3 установлен в подушке, которая перемещается по направляющим в горизонтальной плоскости на угол α.
Следующие два способа регулирования ширины раската характерны тем, что первой по ходу прокатки в черновой МРПК размещена центральная пара валков 2 и зазор между верхним и нижним валками пары установлен меньше зазора между верхними и нижними валками краевых пар валков.
При этом раскат в поперечном сечении получает форму двутавра. На рис. 183 г показан вариант способа регулирования ширины раската, когда первыми по ходу прокатки в черновой МРПК размещены краевые пары валков 3 и зазор между верхними и нижними валками краевых пар установлен меньше зазора между верхним и нижним валками центральной пары. При этом раскат в поперечном сечении получает тавровую форму.
В обоих случаях интенсивная деформация краевых (рис. 183 в) или центрального (рис. 183 г) участка вызывает уширение полосы.
На рис. 183 д, в показаны варианты способа регулирования ширины раската в черновой группе клетей ШСГП, когда в МРПК верхние и нижние валки краевых пар установлены под углом в вертикальной плоскости в противоположных направлениях относительно верхнего и нижнего валков центральных пар соответственно. При этом раскат в поперечном сечении получает форму с трапецеидальными краевыми участками. Установка валков краевых пар под углом в вертикальной плоскости создает на краевых участках раската дополнительную боковую силу, действующую в поперечном направлении и способствующую изменению уширения. При дальнейшей прокатке в горизонтальных валках последующих клетей кварто возникает интенсивное течение металла в поперечном направлении, что вызывает увеличение ширины раската.
Поскольку прокатка раската в МРПК характеризуется неравномерными условиями деформации по ширине, то на специально изготовленной лабораторной клети выполнены исследования формоизменения раскатов.
Исследования проведены при прокатке свинцовых и пластилиновых образцов размерами 5x110x160/200 мм. На поверхность образцов наносили координатную сетку с размером ячейки 10 мм. В каждой ячейке до и после прокатки измеряли толщину с точностью 0,05 мм. Вдоль координатных линий измеряли ширину и длину образца, точность измерений - 0,1 мм. Образцы прокатывали с первоначальной деформацией краевых или с первоначальной деформацией центрального участков. Прокатку вели за один или несколько проходов с относительным обжатием за проход 15-20%.
Внешний вид полученных раскатов показан на рис. 184.
Проблемы при производстве проката

В результате выполненных исследований установлено, что характер продольного течения металла на активных и пассивных участках раскатов примерно одинаков. Деформация активного участка приводит к деформации пассивного участка, которая в обоих случаях максимальна вблизи границ с активным участком и снижаается по мере удаления от него. Продольная деформация активного участка также неравномерна: минимальная вытяжка - у границ с пассивным участком, максимальная - на некотором удалении от него. В обоих случаях, на пассивных участках наблюдается уменьшение высоты, которое имеет минимальное значение на концах и максимальное - на основной части. Причём высотная утяжка пассивного участка пропорциональна степени деформации активного участка. Видно, что место расположения боковых внешних зон влияет в основном на формоизменение в плане и поперечное течение металла, и практически не влияет на продольное течение металла как в активных, так и в пассивных участках и высотную утяжку пассивного участка.
Исследования, выполненные в ДонНТУ, показали, что предпочтительной с точки зрения формы листов в плане и переднего и заднего концов является такая схема расположения валков, которая обеспечивает первоначальную деформацию краевых участков раската. С их использованием выявлены основные закономерности течения металла и разработана методика расчета энергосиловых параметров прокатки полос в МРПК. Клеть новой конструкции была предложена для реконструкции стана 2850 Ашинского металлургического завода (АМЗ).
Стан одноклетевой реверсивный трио-Лаута с диаметром валков 900-650-900 мм. На стане прокатывают листы толщиной 10-30 мм, шириной до 2 м из углеродистой стали общего назначения и конструкционной качественной. Заготовкой являются слитки и слябы.
Основная задача реконструкции заключалась в превращении стана 2850 в двухклетевой и увеличении годового объема производства до 680 тыс.т при использовании многорядной прокатной клети в качестве чистовой (на первом этапе реконструкции) и черновой (на втором этапе). Такое решение позволяет вписать новый стан в существующее здание цеха и максимально использовать другие помещения, коммуникации и некоторое оборудование, что уменьшает затраты на реконструкцию примерно на порядок по сравнению с установкой современной четырехвалковой клети.
ЗАО НКМЗ выполнил проект МРПК для АМЗ, а ДонНТУ и Донниичермет разработали технологическое задание (ТЛЗ) на реконструкцию стана 2850.
После реконструкции предполагалось прокатывать листы из углеродистой стали обыкновенного качества, качественной конструкционной и коррозионностойкой. Коррозионную сталь предлагалось прокатывать толщиной 6-20 мм, шириной 1000-1500 мм, а углеродистую - 10-30 и 1400-2000 мм соответственно. Расчетные режимы прокатки представлены в табл. 39.
Еще одной особенностью реконструкции стана 2850 является применение в качестве чистовой трехрядной МРПК (рис. 185). В краевых и центральных валковых парах осуществляется основная деформация металла, в третьем ряду валки имеют ширину больше, чем ширина раската и эту пару валков используют для проглаживания раската в последнем проходе.
Проблемы при производстве проката

Проблемы при производстве проката

С 70-х годов прошлого века ученые ДонНТУ ведут работы по исследованию процессов прокатки сортового и полосового металла на непрерывных станах. Это продиктовало необходимость разработки новых способов и устройств неконтактного контроля межклетевого натяжения раскатов при непрерывной прокатке.
Разработки базировались на анализе факторов, влияющих на точность прокатки, и известных на тот период времени способов и устройств контроля межклетевых натяжений при прокатке. В результате установлено, что таких средств немного, а точность их показании не позволяла использовать их в автоматизированных системах управления технологическими процессами.
Теоретической основой нового способа измерения натяжения полосы послужило уравнение, выведенное на основе материалов работы.
Для общего случая продольной прокатки при условии Mв≠Mн и Qп≥Qз уравнение имеет вид
Проблемы при производстве проката

Учитывая, что силы от опрокидывающего момента равны и противоположно направлены, уравнение (6.26) запишется в виде
Проблемы при производстве проката

Положение о равновесии сил, действующих на полосу, справедливо и для их реакций. В этом случае равнодействующая давления на валок с большим приводным моментом (рис. 186) из точки С направлена под небольшим углом в сторону, противоположную направлению прокатки, а равнодействующая давления на валок с меньшим приводным моментом из точки E направлена под тем же углом, но по направлению прокатки.
Перенося в центры валков по две силы Р, равные и противоположно направленные (рис. 186) на основании теоремы о параллельном переносе сил, и раскладывая их на вертикальные и горизонтальные составляющие, получаем, что при прокатке с неравномерным распределением крутящих моментов между валками горизонтальные составляющие действуют в разные стороны: на валке с большим приводным моментом усилие Рхв направлено против движения металла, а на валке с меньшим приводным моментом усилие Рхн действует по направлению прокатки.
Проблемы при производстве проката

Заменив в уравнении (6.27) величины ΔQв и ΔQв их реакциями, получим следующее выражение, связывающее внешние силы, приложенные к полосе, с стами, действующими со стороны прокатываемой полосы на валки:
Проблемы при производстве проката

При симметричной прокатке из выражения (6.28) следует
Проблемы при производстве проката

Полученные зависимости справедливы и для случая Qп≤Qз. При этом возможно, что на одном из валков равнодействующая будет направлена вертикально, то есть Pхн=0; Рхв≠0 или Рхв=0; Рхн≠0.
Анализ уравнения (6.26) и его частных случаев показывает, что алгебраическая сумма сил, а следовательно, и пропорциональная ей сумма прогибов рабочих валков в плоскостях, параллельных оси прокатки, однозначно соответствует результирующей величине межклетевых сил, приложенных к концам прокатываемой полосы.
Это положение принято в качестве базы для способа измерения межклетевых сил при непрерывной прокатке.
Расчетная величина ожидаемой стрелы прогиба рабочих валков от действия межклетевтых сил f=10-30 мкм позволяет предполагать, что из всех типов датчиков индуктивные являются наиболее приемлемыми для измерения столь малых перемещений в условиях высоких температур, влажности и т.д.
Новый бесконтактный способ измерения межклетевых сил отличается от известных способов измерения тем, что с целью достижения простоты, надежности и точности прогиб рабочих валков клети под воздействием продольных сил в прокатываемой полосе измеряется с помощью индуктивных датчиков, якорем которых являются рабочие валки.
На рис. 187 изображена схема, поясняющая предложенный способ.
Проблемы при производстве проката

По обе стороны бочки валка устанавливают индуктивные датчики, которые крепятся с помощью винтов с микрометрической резьбой к траверсам. Последние крепятся к подшипниковым опорам параллельно оси валка с двух диаметрально противоположных сторон (в горизонтальной плоскости). С помощью винтов устанавливают необходимые начальные зазоры между валком, используемым в качестве якоря, и датчиками.
Две обмотки индуктивного датчика включены по мостовой схеме. Двумя другими плечами моста является обмотка трансформатора со средней точкой. В измерительную диагональ моста через согласующий трансформатор включен кольцевой демодулятор. Нагрузочным сопротивлением демодулятора служит сопротивление.
Под воздействием продольных сил в полосе валок изгибается в горизонтальной плоскости и, являясь якорем дифференциального индуктивного датчика, изменяет его воздушные зазоры, что приводит к разбалансу равновесного моста вследствие изменения индуктивности его плечей. Напряжение рассогласования поступает на кольцевой демодулятор. С нагрузочного сопротивления демодулятора снимают сигнал, пропорциональный силе натяжения.
Практической реализацией разработанного измерителя натяжения полосы является устройство для измерения сил межклетевого натяжения (подпора) полос.
Устройство отличается от показанного на рис. 187 тем, что у противоположных краев бочки валка с обеих его сторон установлены два компенсационных индуктивных датчика, каждый из которых включен в плечо трансформаторного моста последовательно с противоположным к нему относительно валка рабочим индуктивным датчиком. Такое выполнение устройства исключает влияние на точность измерений люфтовых смещений валков в горизонтальных плоскостях и эксцентриситета их бочек.
На рис. 188 показана схема установки датчиков относительно валков, на рис. 189 - электрическая схема устройства.
Проблемы при производстве проката

Траверсы с установленными на них датчиками крепятся с помощью керновых подпятников и соединительных муфт, имеющих правое и левое резьбовые соединения, с частями траверсы. Узлы крепления датчиков на траверсах позволяют перемещать датчики вдоль оси каждого из валков и фиксировать их в заданном месте. Рабочие зазоры валок-датчик устанавливают с помощью винтов и фиксируют контргайками.
Проблемы при производстве проката

Индуктивные датчики (рабочие 3, 4 и компенсационные 2, 5J одинаковой чувствительности) установлены на верхнем рабочем валке и включены в цепь индуктивного моста переменного тока. Рабочий датчик 4 и компенсационный 2 образуют одно из переменных плечей, а датчики 3 и 5 образуют второе плечо моста. Постоянным плечом моста является первичная обмотка дифференциального трансформатора (см. рис. 189). Для лучшей балансировки моста от средней точки этой первичной обмотки сделано по одному отводу через один виток в обе стороны.
Меняя точку питания моста с помощью отводов и резистора переменного сопротивления, производят его балансировку. Вторичная обмотка трансформатора настраивается в резонанс на частоту питающего напряжения конденсатором. Напряжение, пропорциональное величине сигнала, со вторичной обмотки трансформатора поступает на фазовый детектор 16, выполненный по схеме кольцевого модулятора. Нагрузочным сопротивлением фазового детектора служит резистор переменного сопротивления.
По аналогичной схеме установлены датчики и на нижнем валке. Сигнал, пропорциональный величине силы натяжения, действующей на нижний и верхний валки, снимается с подвижных контактов резисторов 17 и 18, имеющих общую точку соединения, в виде суммы напряжений сигнала от измерительного канала верхнего и нижнего валков. Далее сигнал подается на гальванометр осциллографа либо в систему автоматического регулирования натяжения или визуального контроля.
На рис. 188 показано возможное положение валка относительно датчиков за счет люфтов в опорах рабочего валка. При перемещении оси валка из положения AB в положение A'B' индуктивное сопротивление рабочего датчика 4 уменьшается пропорционально величине (а + b/2), а индуктивное сопротивление компенсационного датчика 2 - пропорционально (а + b), результирующая величина сопротивления плеча увеличивается пропорционально
(а + b) - (а + b/2) = b/2.

Следовательно, при равной чувствительности рабочих и компенсационных датчиков, установленных вдоль рабочего валка, при смещении его относительно точек крепления датчиков, сопротивление переменных плечей моста изменится на одну и ту же величину, пропорциональную b/2, в результате чего индуктивный мост остается в равновесии.
При прокатке без межклетевых сил при помощи резисторов 17 и 18 устанавливают сумму сигналов, равную нулю, и, поскольку алгебраическая сумма проекций сил на ось, действующих на верхний и нижний валки, в этом случае всегда равна нулю, то электрическое устройство в дальнейшем не реагирует на изменение сил, действующих на валки от опрокидывающего момента.
Эта операция позволяет автоматически устанавливать равную чувствительность измерительных каналов верхнего и нижнего валков, что в дальнейшем обеспечивает точное суммирование сил натяжения вне зависимости от закона распределения его между верхним и нижним валками. Тарирование при этом необходимо лишь для одного из валков. Под воздействием межклетевого натяжения рабочие валки изгибаются в горизонтальной плоскости и, являясь якорем дифференциальных индуктивных датчиков, изменяют их воздушные зазоры, что приводит к разбалансу каждого из мостов, вследствие изменения индуктивности его плечей. Алгебраическое суммирование сигналов, пропорциональных прогибам обоих валков на базе, определяемой установкой компенсационных датчиков, позволяет получить сигнал, пропорциональный величине алгебраической суммы прогибов рабочих валков, только от действия результирующей величины межклетевых натяжений.
Конструкция индуктивного датчика приведена на рис. 190.
Основной частью этого датчика является Ш-образный сердечник, собранный из пластин электротехнической стали. На среднюю часть сердечника насажена катушка, навитая медным проводом марки ПЭВ и пропитанная кремнийорганическим веществом В-58. Снаружи катушка с выводами имеет водостойкое покрытие. Сердечник стягивается через латунные накладки вместе со вставкой из латуни и крепится с помощью винтов к кожуху. К задней стенке кожуха на резьбовом соединении крепятся две штанги, которые перемещаются по скользящей посадке в цилиндрических отверстиях корпуса. Кожух вместе с вмонтированным в него сердечником и катушкой подпружинен с помощью двух пружин, надетых на штанги, а со стороны корпуса поджат винтом, ввинченным в планку, укрепленную гайками 10, 11 на свободных концах шпилек.
Проблемы при производстве проката

Таким образом, сердечник с катушкой при помощи винта 12 может плавно перемещаться относительно корпуса 8 и фиксироваться контргайкой в необходимом положении. Корпус 8, в свою очередь, крепится подвижно на траверсе и фиксируется с помощью винта 7 и контргайки.
Такая конструкция крепления датчиков на клети позволяет быстро устанавливать их вблизи поверхности валка с необходимым начальным рабочим зазором.
Недостатком устройства, приведенного на рис. 187, является наличие большого числа датчиков (8 шт.), требующих индивидуальной настройки, а это занимает много времени на установку и усложняет эксплуатацию в промышленных условиях.
Поэтому при создании нового устройства (рис. 191) стремились к упрощению его конструкции и эксплуатации. Компенсационные индуктивные датчики были заменены блоком памяти, фотореле и блоком питания, а рабочие индуктивные датчики установлены у одного из валков, причем вход блока памяти подключен к инвертирующему входу блока вычитания, неинвертирующий вход которого соединен с выходом трансформаторного моста, а выход фотореле - с блоком памяти.
Проблемы при производстве проката

Устройство работает следующим образом.
При прокатке переднего конца полосы в валках сигнал с датчиков через мост поступает в блок памяти и на неинвертирующий вход блока вычитания, на инвертирующий вход которого подается запоминаемый сигнал с блока памяти. На выходе блока сигнал равен нулю, так как сигналы на его обоих входах одинаковы. При попадании переднего конца полосы в поле зрения фотодатчика, установленного перед входом в валки последующей клети, отключается вход блока 2 от трансформаторного моста. Таким образом, при захвате полосы валками последующей клети в процессе непрерывной прокатки появляющийся дополнительный сигнал величины натяжения полосы от рабочих датчиков вначале поступает на трансформаторный мост, а затем - на неинвертирующий вход блока 3, на инвертирующий вход которого поступает сигнал, зафиксированный блоком памяти 2 горизонтальной составляющей сил давления металла на валки при свободной прокатке переднего конца полосы. В блоке 3 вычитается зафиксированный блоком памяти 2 сигнал при свободной прокатке переднего конца полосы из сигнала при непрерывной прокатке. Таким образом, с выхода блока 3 на показывающий прибор поступает сигнал, равный натяжению полосы между клетями.
Такая конструкция устройства значительно сокращает время на установку датчиков после перевалок и ремонтов.
Также на основе конструкции устройства, показанного на рис. 187, разработано бесконтактное устройство, позволяющее одновременно измерять меж-клетевые силы и силы давления металла на валки не только в клетях обычной конструкции, но и в блоках клетей с консольной установкой валков. Конструкция устройства показана на рис. 192.
Проблемы при производстве проката

Корпус предлагаемого устройства снабжен индуктивными датчиками, размещенными в плоскости, перпендикулярной к оси прокатки и устройством, центрирующим корпус относительно оси валка. Он изготовлен в виде кольца П-образного сечения, в котором в двух взаимно перпендикулярных плоскостях установлены индуктивные датчики сил прокатки 2 и натяжения 12. Рабочая поверхность датчиков и полость кольца защищены от попадания влаги латунной фольгой, припаянной к корпусу. Корпус жестко крепится к вилке, установленной на кронштейне с фиксируемой гайкой. Для установки радиального зазора корпуса относительно консоли валка боковая поверхность корпуса содержит три подпружиненных кулачка, поворотное кольцо 3 и наружное кольцо 6. Кроме того, на кронштейне установлены два переходных кольца 10 и 9.
Настройку устройства осуществляют следующим образом.
Корпус с датчиками 2, 12 размещают на консоли. Затем поворачивают кольцо 10 на 25-30°, причем его выступы наезжают на кулачки, заставляя их выдвигаться относительно внутренней поверхности корпуса до соприкосновения с поверхностью консоли валка. Это обеспечивает концентричную установку внутренней поверхности корпуса и датчиков 2, 12 относительно поверхности консоли с определенным зазором. В свою очередь вилка определенным образом сочленяется с кронштейном, жестко закрепленным на прокатной клети.
Вилка имеет вертикальный паз и тоже в пределах разницы диаметров отверстия и хвостовой части консоли 5 перемещается по соответствующему выступу на кольце 9, которое, в свою очередь, имеет горизонтальный паз, сочленяющийся с выступом кольца 10. Таким образом, благодаря системе переходных колец 10 и 9, корпус и датчики 2, 12 при повторных установках занимают строго определенное положение относительно оси валка. Измерительное устройство фиксируют с помощью гайки. Кулачки поворотом кольца 3 возвращаются в исходное положение, освобождая консоль валка.
Под действием сил прокатки и натяжения консоль, являясь якорем индуктивных датчиков, попарно расположенных в плоскостях действия вертикальной составляющей силы прокатки и силы межклетевого натяжения, изменяет их индуктивные сопротивления пропорционально составляющим полной силы. Диаметрально расположенные датчики силы прокатки включены по схеме трансформаторного моста и имеют отдельный выход. Датчики сил натяжения, расположенные перпендикулярно к плоскости установки датчиков силы прокатки, так же включены по схеме трансформаторного моста с соответствующим выходом.
С целью обеспечения требуемой точности проката разработано устройство для регулирования коэффициента модуля жесткости клети сортового стана. При разработке устройства стремились к осуществлению плавного регулирования жесткости прокатной клети от максимального потребного для данного размера проката значения до необходимого минимума. Для этого упругий элемент выполнен в виде мембраны, установленной на подвижные опорные ползуны, радиальное перемещение которых в пазах корпуса обеспечивалось ходовыми винтами, синхронизированными конической передачей.
Устройство регулирования жесткости, прокатной клети, показанное на рис. 193, состоит из корпуса, в котором в двух взаимно перпендикулярных плоскостях перемещаются четыре опорных ползуна. Их перемещение происходит по винтам, которые имеют между собой зубчатое зацепление, с помощью конических шестерен. Корпус закрыт мембраной, которая опирается на ползуны. В центре корпуса под мембраной установлен датчик перемещения.
Проблемы при производстве проката

Устройство помещается под нажимные винты рабочей клети и, являясь одним из элементов, воспринимающих силу прокатки, влияет на ее жесткость. Регулирование жесткости элемента осуществляется следующим образом. При вращении одного из винтов 5, например, с помощью ключа, сообщается движение через коническую передачу остальным трем винтам, а следовательно, и связанным с ними ползунам 4. Так как ползуны 4 являются опорами мембраны 3, то сближение их относительно центра будет уменьшать податливость устройства, а следовательно, и клети в целом. Прогиб мембраны 3 контролируется индуктивным датчиком перемещения 1.
Таким образом, перемещением опорных ползунов можно регулировать жесткость устройства, а следовательно, и жесткость клети в сторону снижения от максимального до необходимого расчетного значения.
Целью расчета является установление связи между изменением жесткости системы валки-клеть и жесткостью регулируемых элементов.
Суммарная жесткость звеньев левой и правой стоек станины клети Cкл с учетом жесткости регуляторов, а также равенства жесткости их элементов будет
Проблемы при производстве проката

где Cст - жесткость клети без учета жесткости валков; Cрег - жесткость элемента регулирования.
Тогда жесткость системы валки-клеть С можно определить из равенства
Проблемы при производстве проката

При проектировании новых и реконструкции действующих сортовых и проволочных станов клети стана рассчитывают, как правило, на такую жесткость, которая бы обеспечивала при заданной технологии необходимую точность профилей, имеющих в заданном сортаменте наиболее жесткие допуски на толщину. Поэтому для остальных профилей с большими допусками по толщине жесткость клети будет иметь некоторый запас по величине, который без существенного ущерба точности вертикального размера мог быть уменьшен.
Разработанное устройство позволяет оперативно с помощью ручного или электрического привода установить необходимую жесткость клети.
При помощи зависимости (6,31) можно решить обратную задачу, то есть по расчетному значению необходимой жесткости С клети и известному значению Cст и Свал определить установочное значение жесткости регулятора
Проблемы при производстве проката

Разработанные устройства использовали для исследования процессов непрерывной прокатки на проволочных, мелко- и среднесортных станах. Выведены зависимости для оценки влияния межклетевых натяжений и подпора раскатов на скоростные и энергосиловые параметры прокатки, что способствовало повышению точности прокатки, снижению расхода энергозатрат, затрат на валки и механическое оборудование. Эти материалы представлены в работе и ряде статей.
В последние годы проявился интерес к получению прокатной продукции из чугуна. При горячей деформации белого чугуна имеет место наклеп фаз, что используют для упрочнения и повышения износостойкости деталей металлургического оборудования, работающих в условиях абразивного износа. Включают пластическую деформацию и в технологию переработки высокопрочного чугуна. Под влиянием пластической деформации физико-химические и механические характеристики высокопрочного чугуна повышаются. Рост прочности и вязкости, сопротивления коррозии и износу под влиянием деформации позволяет придать изделиям из деформированного высокопрочного чугуна свойства, недостижимые в литье. В связи с этим разработаны и эффективно используются технологии прокатки листа, труб, сорта, проволоки и др., которые по свойствам успешно конкурируют с углеродистой и низколегированной сталью. Деформированный высокопрочный чугун применяют также для изготовления шестерен и зубчатых колес, колец трансмиссии, гильз цилиндров, втулок и др. деталей.
Под руководством автора книги и профессора А.А. Баранова в ДонНТУ выполнены исследования по реализации применения процессов ОМД (прокатке, ковки) для обработки чугуна и трудно деформируемых сплавов.
При выборе технологических параметров обработки давлением необходимо учитывать пониженную, в сравнении со сталью, деформируемость чугуна.
В белом чугуне содержится карбидная фаза с повышенной температурой полигонизации и рекристаллизации. Накопление дислокаций вблизи межфазной поверхности аустенита и карбидов ведет к раннему зарождению трещин и преждевременному разрушению. Увеличение деформируемости путем повышения температуры чугуна ограничено опасностью оплавления. Как правило, верхняя граница нагрева нелегированного чугуна ограничивается 1100°С, а нижняя лежит в пределах 800-850°С. Узкий интервал температур деформации и сравнительно высокий порог рекристаллизации карбидной фазы создают определенные трудности в технологических решениях обработки давлением. Выход находят в снижении скорости деформирования, усложнении температурного режима деформации и направленном легировании чугуна. Уменьшение скорости деформирования позволяет уравнять развитие упрочняющих и разупрочняющих процессов так, что угрожающего скопления дислокаций не происходит. Это позволяет продолжать горячее деформирование чугуна до достижения больших обжатий, а из квадратной заготовки 45 мм получать тонкий лист толщиной 1,5 мм. Опасные скопления дислокаций, способные преобразоваться в микротрещины, не возникают и при направленном легировании, благодаря которому в местах концентрации напряжений происходит фазовое превращение карбидов, снижающее уровень напряжений. Использование пластичности, наведенной фазовым превращением, позволяет деформировать чугун и с применением интенсивных способов деформации, однако требует дополнительных затрат на легирование.
Определенные результаты получены и в поисках путей повышения пластичности благодаря усложнению температурных условий деформации. Устранить опасный эффект крупных скоплений дислокаций и разупрочнить белый чугун можно прерыванием деформации периодическим нагревом до температур, превышающих на десятки градусов температуру деформации. Под влиянием дополнительного нагрева повышается растворимость углерода в аустените, что ведет к частичному растворению карбидной фазы. Поскольку энергия Гиббса деформированной избыточной фазы выше, чем недеформированной, искаженная дефектами карбидная фаза растворяется преимущественно. Это ведет к устранению потенциально опасных скоплений дислокаций и к повышению деформируемости чугуна. Преимущественное растворение карбидов в местах скопления дислокаций способствует устранению крупных эвтектических выделений и более равномерному распределению мелких карбидных частиц.
Изложенные посылки использованы нами при разработке термического режима горячей обработки с непрерывным повышением температуры белого чугуна и высокоуглеродистой стали, благодаря которому повысилась деформируемость при прокатке и ковке.
Деформируемость высокопрочного чугуна выше, чем белого, однако и для него желательно повышение этой характеристики. Шаровидные включения графита являются местом концентрации напряжений, но в этом смысле они менее опасны, чем пластиночный графит. В связи с этим, высокопробный чугун можно прокатывать или ковать со степенью обжатия 75-80% без образования видимых следов разрушения. Деформируемость высокопрочного чугуна зависит не только от степени сфероидизации графита, но и от металлической основы. Перлитный чугун менее пластичен, чем ферритный. Если для холодной деформации обсуждаемый эффект основы чугуна вполне объясним, то для горячей деформации эффект предварительной ферритизации недостаточно выявлен, а мнения исследователей о целесообразности его расходятся. В работе отмечается нецелесообразность предварительного субкритического отжига высокопрочного чугуна, поскольку при нагреве для горячего прессования и ферритный и перлитный чугун приобретают одинаковую аустенито-графитную структуру. Этому утверждению противоречат авторы статьи, отмечая большую роль предварительной ферритизации и считая, что только в этом случае высокопрочный чугун приобретает хорошую деформируемость. По данным работы, существует определенное соотношение между количеством феррита и перлита в металлической основе чугуна, которое обеспечивает достаточную пластичность при горячем прессовании.
С целью выяснения роли предварительной ферритизации и разработки способов повышения деформируемости чугуна изучили влияние режимов термической обработки, предшествующей прокатке. Клиновидные образцы чугуна, содержащего 2,88% С, 2,84% Si, 0,78% Mn, 0,015% S, 0,08% Р, 0,08% Cr и 0,048% Mg, вырезали из отливок диаметром 50 мм. Часть их подвергали отжигу по режиму: 820° - 0,5 часа, 680° - 20 часов, после чего они приобретали феррито-графитную структуру. Другую часть подвергали термоциклической обработке по режиму: нагрев до 1000°С, выдержка 5-10 мин., охлаждение до 700-600°С и после выдержки 10-60 мин. нагрев возобновляли. Проведено 2 и 5 циклов. Деформируемость сопоставляли по критической степени обжатия, при которой на боковой поверхности проката обнаруживали трещины. Образцы прокатывали в двухвалковом стане 100 при 20, 600 и 1000°С.
В табл. 40 приведены полученные результаты. Видно, что предварительный графитизирующий отжиг, обеспечивающий ферритную структуру матрицы чугуна, увеличивает степень обжатия (до образования первых трещин) по сравнению с литым на 20-50%. Термоциклическая обработка (ТЦО) по указанному способу значительно повышает деформируемость чугуна, снижает плотность и твердость, что обусловлено образованием пор при растворении графита. Критическая степень деформации, при которой на боковой поверхности проката возникают первые трещины, увеличивается с числом циклов. Так, при холодной прокатке чугуна трещины появились после обжатий 48%, а в подвергнутом ТЦО чугуне они обнаружились после 50 и 53% обжатия соответственно после 2 и 5 циклов. Образование трещин при теплой и горячей прокатке под влиянием ТЦО по изученным режимам также сдвигается в область повышенных обжатий.
Таким образом, предварительный изотермический отжиг и термоциклическая обработка высокопрочного чугуна позволяют увеличить степень обжатия до появления первых трещин при холодной, теплой и горячей прокатке.
Проблемы при производстве проката

При этом следует учитывать, что уменьшение количества цементита в металлической основе исходного чугуна благоприятно сказывается на пластичности высокопрочного чугуна при всех температурах прокатки. Как видно, эффективность предварительной термической обработки возрастает при смене изотермического отжига термоциклическим. Этот вывод позволяет заключить, что эффект предварительной термической обработки обусловлен не столько устранением химической неоднородности твердого раствора, сколько изменениями в графитной фазе. Разрушение шаровидного графита, которое имеет место на начальных стадиях деформирования высокопрочного чугуна из-за ограниченности систем скольжения в слоистой решетке графита, ведет к образованию непрочной оболочки включений, которая, подобно жидкой фазе, провоцирует распространение трещин в металлической основе. В результате на торцах приплюснутых включений графита возникают «хвосты» и «усы», являющиеся первыми признаками разрушения чугуна. Микросплошности, образующиеся при растворении графита во время нагрева ферритного чугуна или в результате предварительной термоциклической обработки, способствуют «свободному» размещению непрочного графита, так что расклинивающий эффект графитной оболочки не проявляется. При теплой, и особенно при горячей, прокатке «хвосты» и «усы» образуются реже, а торцы графитных частиц, как правило, скруглены, что ослабляет концентрацию напряжений.
Приведенные данные свидетельствуют также о том, что несплошности у графитных частиц отнюдь не понижают деформируемость высокопрочного чугуна при горячей прокатке. Более того, несплошности, которые образуются в результате освобождения графитом полостей, возникших в металлической основе чугуна в результате удаления углерода из раствора и графитизации цементита, препятствуют росту трещин из-за расклинивающего действия разрушенного графита и оказывают благотворное влияние на деформируемость.
Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что изменением теплового режима деформации и воздействием на исходное состояние чугуна можно увеличивать деформируемость чугунной заготовки при прокатке и ковке.
На разработанный в ДонНТУ способ обработки труднодеформируемых сплавов получен декларационный патент Украины.
Предлагаемый способ труднодеформируемых сплавов основан на влиянии температуры обработки давлением на появление и рост микротрещин в многофазных сплавах. Причиной разрушения фаз, которые отличаются реологическими свойствами, является образование скоплений дислокаций на межфазной поверхности. При достаточно большом скоплении дислокаций вблизи барьера возникают нормальные напряжения, достаточные для разрыва межатомных связей и появления микротрещин. Дальнейший рост трещин возможен в связи с поступлением новых дислокаций в скопление, которое ведет к увеличению нормальных напряжений. Если прекратить деформацию на критической стадии, когда скопление дислокаций не привело к появлению трещин, возможна релаксация напряжений в скоплении путем полигонизации или рекристаллизации металла, которая сравнительно легко происходит в твердом растворе (аустенита или феррита). Восстановительные процессы в карбидах происходят намного медленнее и требуют повышенных температур. Если скорость деформации небольшая, то скопления дислокаций «рассасываются» и возможна последующая деформация сплава. Ускорение устранения скоплений дислокаций достигается повышением температуры.
Во-первых, это увеличивает диффузионную подвижность атомов и содействует развитию полигонизации и рекристаллизации металла. Во-вторых, с повышением температуры растет растворимость избыточной фазы, например, карбидов. Поскольку энергия Гиббса деформированной карбидной фазы выше, чем недеформированной, а подвижность атомов под воздействием деформации растет, при нагревании деформированного сплава, то скопления дислокаций «рассасываются», прежде всего, на участках повышенной плотностью дислокаций. Это значит, что прерывание деформации с небольшим обжатием и нагревом его на 50-100°C способствует повышению деформируемости многофазных сплавов. Это происходит не только благодаря ускорению полигонизации и рекристаллизации, но и в результате включения в восстановительные процессы дополнительного механизма, который состоит в растворении наиболее деформированных и наклепанных участков избыточной фазы. Таким образом, пластическая деформация труднодеформируемых многофазных сплавов в условиях ступенчатого нагрева способствует увеличению пластичности и, как следствие, ведет к повышению деформируемости.
Начало деформации при сравнительно низких температурах Tн = Ас1+(50-120°С) реализуется в условиях, при которых реологичные свойства фаз таковы, что пластические деформации с небольшим обжатием безопасны. Из-за низкой температуры и повышенной скорости деформации дислокационные скопления не успевают «рассосаться» и частично сохраняются, невзирая на повышенную температуру. Растворение этих участков карбида с повышенной плотностью дислокаций происходит при повышенных температурах, что способствует разделению больших карбидов на части. К моменту деформации при повышении температуры на ΔT карбиды разделены, и под воздействием сдвигов разделенные карбиды смещаются на значительные расстояния, что устраняет неоднородность деления карбидов, навязанного эвтектической кристаллизацией. Поэтому горячая деформация в режиме ступенчатого нагрева способствует более равномерному делению карбидов в аустените и устраняет карбидную полосчатость. Окончательная деформация Tk = Ac1 + (250-400°С), то есть 1000-1150°С, обеспечивает смещение разделенных карбидов на большие расстояния, снижает наклеп, а охлаждение в этом случае проводят на воздухе, или при охлаждении сжатым воздухом, или в жидкой среде.
Режим обработки по разработанному способу представлен на рис. 194.
Проблемы при производстве проката

Для оценки возможности реализации нового способа провели лабораторный эксперимент. Клиновидные образцы из стали Xl2 длиной 100 мм, шириной 25 мм и толщиной 4 и 24 мм на противоположных концах образца, прокатывали в несколько проходов на гладкой бочке двухвалкового стана 340 в полосу толщиной 4 мм, так что суммарное обжатие составляло 0-83%. Реализацию предложенного способа осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры начала деформации, равной Ac1 + (50-120°C), то есть 800-850°С. Последующий нагрев проводили до температуры окончания деформации, равной Ac1 + (250-400°С), то есть 970-1150°С. При этом нагрев вели ступенчато, с временной выдержкой, когда средняя температура оставалась постоянной (см. рис. 194). В это время проводили прокатку образцов. Интервалы между температурными ступеньками составляли 50-100°С, а число температурных ступенек принимали в диапазоне 2-5. По окончании деформации проводили охлаждение образцов на воздухе. Параметры обработки и результаты испытаний приведены в табл. 41.
Для сравнения новой технологии с известными из литературы традиционными технологиями провели прокатку аналогичных образцов по следующим режимам:
1 - нагрев образцов до температуры 1150-1200°С, выдержка в течение 0,5-2 часов, деформация с относительным обжатием 70-80%;
2 - нагрев образцов до температуры 1200°С, часовая выдержка, часовое охлаждение до 1140°С, повторный нагрев до 1200°С и деформация.
Результаты экспериментов также приведены в табл. 41.
Проблемы при производстве проката

Образцы, обработанные по всем режимам, подвергли исследованию для определения балла карбидной полосчастости и характера деления частиц, а на боковой поверхности прокатанных образцов фиксировали наличие трещин.
Из табл.40 видно, что горячая прокатка образцов при ступенчатом нагреве позволяет снизить карбидную полосчастость на 1-2 балла по сравнению с известными технологиями, а трещины образуются при более высокой степени деформации.
Таким образом, разработанный новый совмещенный процесс термомеханической обработки позволяет производить более интенсивную деформацию труднодеформированных марок стали.
В результате совместных исследований, выполненных в ДонНТУ и Донецком физико-техническом институте им. А.А. Галкина HAH Украины разработана схема линии для калибровки, правки и получения прутков определенной формы в поперечном сечении из сплавов на медной основе в привязке к горизонтальной МНЛЗ, действующей на ДП «Техноскрап» ООО «Скрап» в Донецке. В линии предусмотрена установка клети радиально-сдвиговой прокатки (РСП).
Идея использования процесса РСП в производстве прутков, получаемых на установке горизонтального непрерывного литья из сплавов на медной основе, является достаточно продуктивной из следующих соображений:
- прутки, полученные на установке горизонтального непрерывного литья и прошедшие обработку в стане РСП, будут иметь мелкозернистую и однородную структуру, а также повышенные механические и служебные характеристики;
- после обработки непрерывнолитых заготовок в стане РСП устраняются поверхностные дефекты в виде кольцевых расслоений на поверхности заготовок, возникающие при относительном перемещении отливки и кристаллизатора;
- возможно редуцирование заготовки, поступающей из МНЛЗ, в заготовки разного диаметра без смены кристаллизатора в МНЛЗ.
Разработана схема производства прутков диаметром от 10 до 100 мм из сплавов на медной основе. Возможность реализации совмещения МНЛЗ и агрегата РСП прорабатывается в привязке к ДП «Техноскрап» ООО «Скрап».
Разработана и новая идеология подхода к переработке отходов цветных металлов. Она базируется на применении процессов ОМД и преследует цель достижения более глубокой переработки лома и отходов вторичных цветных металлов. Она предъявляет высокие требования ко всем остальным операциям рециклирования (сборке лома и отходов, сепарации, рафинированию, литью, термообработке), которые должны обеспечить максимально возможную стабильность химического состава и свойств этих материалов. Кроме того, в силу сравнительно малого объема производства заводов вторичной цветной металлургии по сравнению с предприятиями первичной цветной металлургии, на первых рационально организовывать не крупно-, а мелкосерийное производство заготовок и изделий. Это предъявляет определенные требования к технологиям и машинам обработки давлением. Изготовление малых партий деталей должно отражаться на всей совокупности факторов, относящихся к технологической подготовке и организации производства: к типу и составу оборудования, структуре технологических процессов, конструкции установок и т.д. С этой точки зрения большие перспективы имеет процесс гидропрессования. Этот процесс и его разновидность - винтовое гидропрессование - разработан в Донецком физико-техническом институте им. А.А. Галкина HAH Украины. Он идеально подходит для мелкосерийного производства благодаря тому, что легко переналаживается на производство новых профилей лишь путем замены одной матрицы на другую.
Такой подход к глубокой переработке вторичных цветных металлов стал определяющим при создании в Донецке комплекса по переработке лома, шлаков и стружки цветных металлов (алюминия, меди, цинка, свинца и их сплавов) - ДП «Техноскрап» ООО «Скрап» и ООО «Донсплав». В отличие от большинства действующих в странах СНГ аналогичных предприятий, где практически все операции по сортировке лома и отходов производятся вручную, на созданном комплексе введены в действие механизированные линии по подготовке медьсодержащего лома к металлургическому переделу, по переработке алюминиевых шлаков, по сепарации алюминиевой стружки, по извлечению алюминия под одновременным действием давления и вибрации. В состав комплекса входит плавильное, разливочное и литейное оборудование, оборудование для горячего и холодного прессования, волочения.
Разработаны и освоены технологии утилизации лома и отходов цветных металлов и организован выпуск заготовок (чушек, слитков, прутков), а также готовой продукции: фасонных отливок, проволоки, припоев, баббитов, цинковых анодов и материалов для раскисления стали из вторичных цветных металлов.