Автореферат Секербек

УДК 621.771 (043)                                                                       На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

СЕКЕРБЕК АЙМАНГҮЛ МЕЙРАМҚЫЗЫ

 

 

 

 

Улучшение качества проката на основе квалиметрической

оценки и совершенствования рабочей поверхности валков

 

 

 

05.03.05 Технологии и машины обработки давлением

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2007

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева.

 

 

 

Научный руководитель:                               доктор технических наук,

профессор Машеков С.А.

 

 

Научный консультант:                                 кандидат технических наук,

доцент Абсадыков Б.Н.

 

 

Официальные оппоненты:                           доктор технических наук,

профессор Каржавин В.В.

 

кандидат технических наук

Ашкеев Ж.А.

 

 

 

Ведущая организация:                                 Павлодарский государственный

университет им. С. Торайгырова

 

 

 

Защита состоится «23» ноября 2007г., в 1100   часов на заседании диссертационного совета К 14.17.02 при Казахском национальном техническом университете им. К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г.Алматы, ул.Сатпаева, 22а, Институт машиностроения, МСК 7.

Факс (7272) 92-60-25, e-mail: allnt @ ntu.sci.kz

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева.

 

 

 

Автореферат разослан « 21» октября 2007г.

 

 

 

       Ученый секретарь

 диссертационного совета,

кандидат технических наук                                                 Бортебаев С. А.

 

 

Введение

 

Общая характеристика проблемы. Традиционные технологические процессы прокатки, особенно непрерывнолитых заготовок характеризуются значительным расходом времени на изготовление листового проката, так как заготовка подвергается с большими единичными обжатиями многократному уменьшению площади поперечного сечения для устранения внутренних дефектов, что требует значительных энергозатрат.

За последнее время при прокатке слябов или непрерывнолитых заготовок разработан ряд способов обработки заготовок. Данные способы основаны на развитии сдвиговых деформаций в объеме деформируемого тела, за счет воздействия соответствующей конструкции валков или заготовок. Однако эти способы прокатки неэффективны и трудоемки, так как сдвиговые деформации сопровождаются большими единичными обжатиями.

Актуальность проблемы. В связи с этим, совершенствование традиционных и разработка принципиально новых технологических процессов прокатки, направленных на повышение качества листового проката при малом изменении площади поперечного сечения заготовки, является актуальной задачей.

Необходимо отметить, что при пластической деформации большое значение имеет число одновременно действующих систем скольжения, так как от них зависит характер, формирующейся при деформации, дислокационной структуры. Дислокационная структура, как известно, оказывает влияние на сопротивление скольжения или упрочнение в ходе деформации, а также на условия последующего разупрочнения. Поэтому изучение влияния линейного растяжения, простого сдвига на число одновременно действующих систем скольжения, т.е. на упрочнение и разупрочнение имеет исключительно большое значение.

Решить проблему управления качеством металлоизделий, получаемых способами пластического формоизменения лишь на базе использования аппарата механики обработки металлов давлением (ОМД), как это преимущественно делается в настоящее время, невозможно. Комплексное использование аппарата механики ОМД и теории квалиметрии позволит реально решать задачи по оптимизации качества металлоизделий. Работы подобного плана в прокатном производстве находятся на стадии постановочного характера, развитие этого направления следует признать актуальным.

Структура металлов и сплавов и распределение ее дефектов не одинаковы даже в пределах одного образца. Поэтому механические свойства, определяемые структурами и дефектами различны для разных объемов одного образца. Поэтому характеристики механических свойств, которые оцениваются при испытаниях, являются среднестатистическими величинами, дающими суммарную, математически наиболее вероятную характеристику всего объема испытуемого образца. Даже при абсолютно точном замере они будут неодинаковы у различных образцов из одного и того же материала. Поэтому разработка статистической теории обработки результатов механических испытаний является актуальной.

Цель работы. На основе реализации комплексного подхода, базирующегося на методологии математического и физического моделирования, исследовать влияние линейного растяжения и простого сдвига на структуру металла и качество прокатываемой стали, получить новые научные результаты управления качеством, выработать управляющие воздействия, апробировать в исследовательских испытаниях новые технические и технологические решения, направленные на повышение качества металлоизделий.

Научная новизна. В работе представлены результаты решения важной проблемы по оценке качества листового проката, формированию структуры при различных видах обработки и прогнозированию коэффициента предельной вытяжки, а также по совершенствованию технологии прокатки, позволяющие повысить качество листового проката. В связи с этим:

– получены эмпирические зависимости для единичных свойств листового проката (механические свойства, химический состав, структура, поверхностные и внутренние дефекты), позволяющих объективно характеризовать качество листов;

– выявлены закономерности влияния температуры, деформации и последеформационной выдержки на формирование структуры металлов;

– разработана методика статистической обработки результатов исследования предельной вытяжки;

– впервые получены количественные данные и установлены основные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния при прокатке листов в выпукло-вогнутых валках.

Положения, выносимые на защиту:

– результаты исследования качества листового проката;

– закономерности формирования структуры образцов при различных видах напряженного состояния, температуры и времени последеформационной выдержки;

– новая методика статистической обработки результатов технологического испытания листового проката на предельную вытяжку;

– закономерности изменения напряженно-деформированного состояния по сечению заготовки при прокатке слябов в выпукло-вогнутых валках.

Апробация практических результатов. Результаты диссертации доложены и обсуждены на 2-ой Международной научно–практической конференции молодых ученых (Алматы, КазНТУ, 2002 г.); на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы машиностроения и металлургии» (Алматы, КазНТУ, 2002 г.); на Международной научно–технической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии» (Темиртау, КарГИУ, 2005г.); на научном семинаре кафедры «Станкостроение, материаловедение и технология машиностроительного производства» (Алматы, КазНТУ, 2007 г.); на объединенном научном семинаре кафедр «Металлургические машины и оборудование», «Технология машиностроения» и «Станкостроение, материаловедение и технология машиностроительного производства» (Алматы, КазНТУ, 2007 г.).

Практическая ценность работы определяется тем, что в ней решены следующие научно-технические задачи:

– полученные эмпирические зависимости, использованная модель обобщенного критерия качества, с учетом ограничений, дают реальную возможность формализовать процедуру объективной оценки качества листов в виде некоторой целевой функции. И тогда решение задачи может быть сформулирована как математическая проблема поиска экстремума, позволяющая находить наивыгоднейшее решение, как отдельных операций, так и технологического процесса прокатки листов в целом;

– разработана методика построения диаграмм коэффициента предельной вытяжки с учетом статистических характеристик пластических свойств;

– предложена новая конструкция валка для прокатки толстых листов, позволяющая интенсифицировать измельчение структуры металла по сечению сляба за счет знакопеременного деформирования.

Предлагаемый метод оценки качества листового проката квалиметрическим методом может быть использован как потребителем, так и производителем, в том числе АО «Миттал Стил Темиртау» (Испат-Кармет).

 

Основное содержание работы

 

Во введении обоснованы актуальность и степень разработанности проблемы исследования, сформулированы научные задачи, показана новизна работы и описана структура диссертации.

В главе 1 настоящей диссертационной работы проанализированы проблемы и перспективы совершенствования технологии прокатки толстолистового проката на миниметаллургических заводах, а также технология производства слябов, листов и заготовок на машинах непрерывного литья и литейнопрокатных станах. Здесь же рассмотрены технологические особенности предупреждения образования дефектов, повышение качества при горячей прокатке полос и квалиметрия объектов металлообработки в прокатном производстве.

Во второй главе рассмотрена проблема оценки качества листового проката металлургических комбинатов. Для оценки качества листового проката применяют несколько стандартных показателей, по величинам которых обычно определяют к какой группе можно отнести полученное изделие и не является ли оно браком. Так как используемые для оценки качества показатели обычно не зависят друг от друга, то получение одного показателя в пределах требуемого класса точности вовсе не гарантирует выполнение других показателей качества.

В методологическом аспекте достаточно обоснованное решение проблемы количественной оценки качества продукции дает квалиметрия. Поэтому в данной работе квалиметрию использовали для комплексной оценки контролируемых качеств полосы.

Авторами известной методики было предложено, для объединения и сравнения разнородных аргументов, нормировать оценки единичных свойств, используя при этом меру Харрингтона в следующей трактовке

 

,                                                       (1)

т.е. для перевода натурального значения  в размерность di  было предложено использовать уравнение (1).

Руководствуясь рекомендациями известных работ, можно функцию дефектности  назначить таким образом, чтобы базовым отметкам , равным 0,20; 0,37; 0,63; 0,80 и 1,0, соответствовали реперные значения функции , равные 0,0; 0,50; 0,85; 1,5 и 3. Если теперь соотношение (1) охарактеризовать как аналог известной функции Харрингтона, то систему оценок качества тонколистовой стали можно представить в виде обобщенной таблицы.

Результаты расчета можно представить по следующей шкале желательности: d = 0,2 – неисправимый брак;  d = 0,37 – исправимый брак; d = 0,63 – соответствие материала листов требованиям стандарта; d = 0,8 – перевод листов в повышенный класс точности; d = 1 – гипотетически возможный уровень свойств материала поковки.

На основе большого массива данных по качеству поверхности и по профилю поперечного сечения листового проката ЦЗЛ «Миттал Стил Темиртау» были получены следующие уравнения нормировки балльных оценок дефектности листового проката:

где  D – шероховатость поверхности листа; l – длина рябизны, рисок, царапин листов;  – глубина рябизны, рисок, царапин листов; – ширина полосы;  – ширина участка полосы без цветов побежалости;  – толщина полосы;  – толщина полосы по стандарту.

С использованием результатов механических свойств листового проката были определены эмпирические зависимости вида

  либо ,

представляющие, своего рода, модификации известной функции Харрингтона, которые подбираются статистическими методами на базе реализации на ЭВМ методологии регрессионного анализа, где А, В, С – эмпирические константы для листового проката (приведены в диссертации); х – нормируемое свойство, представленное в соответствующем масштабе.

Химический состав относится к наиболее характерным представителям оценки качества, количественные оценки которых практически однозначно регламентируются соответствующими эталонами. В литературе на базе использования соотношения (1) было получено следующее уравнение нормировки балльных оценок по влиянию марганца, серы и фосфора на качества черного металла:

,

где q = Мп/S, Мп/Р – отношения содержания в стали марганца к сере или к фосфору.

Результаты расчета по известным данным показали, что шкалы нормированных оценок ликвации и оценки структурных свойств черных металлов соответственно подчиняются очень простой зависимости  и , где  – балльные оценки ликвации;  − балльные оценки структуры металла по соответствующей шкале.

Принимаем, что в рассматриваемом случае и ниже приведенном случае ненормируемые весомости единичных свойств равны между собой, т.е. свойства по своему влиянию на оценку качества равнозначны.

Для изучения качества продукции цеха горячей прокатки с непрерывным широкополосовым станом 1700 АО «Миттал Стил Темиртау» была проанализирована информация о распределении дефектов горячекатаных листов за период с 1990 по 1995 годы. Оценку качества выпускаемой продукций производили на шести группах горячекатаных листов, прокатанных из различных плавок по 130 – 145 рулонов в каждой группе. Полученные механические свойства, поверхностные и внутренние дефекты, разнотолщинность листов каждой группы образовали шесть статистических массивов, которые подверглись статистической и квалиметрической оценке для определения качества рулонов цеха горячей прокатки.

Среднее значение обобщенного показателя качества для горячекатаных листов составляет 0,7212 (1990 г.), 0,5971 (1991 г.), 0,5982 (1992 г.), 0,6073 (1993 г.), 0,5923 (1994 г.), 0,5722 (1995 г.). При этом для стандартной технологии величина исправимого брака (от 0,2 до 0,37 по шкале Харрингтона) составляет 0,0% (1990 г.), 2,96% (1991 г.), 6,04% (1992 г.), 6,91% (1993 г.), 6,15% (1994 г.) и 5,71% (1995 г.) от всего объема массива. Процент выполнения требований стандарта для листового проката «Миттал Стил Темиртау» за 1990 - 1995 г.г. соответственно составил 12,86%; 62,96%; 67,86%; 68,97%; 68,46%; 65,72%. Перевод в повышенный класс точности наблюдается на 78,57% (1990 г.), 28,92% (1991 г.), 25,00% (1992 г.), 22,76% (1993 г.), 23,08% (1994 г.), 25,71% (1995 г.) стандартных листах. Достижение гипотетически желательных свойств при серийной технологии достигает 8,57% (1990 г.), 4,18% (1991 г.), 1,1% (1992 г.), 1,37 % (1993г.), 2,31% (1994 г.), 2,86% (1995 г.) (гипотетический уровень свойств - от 0,8 до 1,0 по Харрингтону - рассчитан для существующей технологии). Дисперсия обобщенного коэффициента качества для стандартной группы составляет 0,05225 (1990г.), 0,04671 (1991г.), 0,04771 (1992г.), 0,4882 (1993г.), 0,4821 (1994г.) и 0,4423 (1995 г.).

Требования к качеству тонколистовой стали отражаются в стандартах и технических условиях на эту продукцию. Номенклатура функционирующих в настоящее время систем стандартов включает национальные, региональные и международные (ISO) системы.

С использованием соотношения (1), технических условий ТУ 650 РК-01440-017-96 АО «Миттал Стил Темиртау» и каталога дефектов жести была оформлена шкала оценок (в связи с большим объемом не приводится). При оформлении шкалы оценок дефекты в зависимости от требования стандарта и технического условия были разделены на отдельные дефекты и группы дефектов.

На основе большого массива данных по качеству поверхности и по профилю поперечного сечения тонколистового проката было получено следующее уравнение нормировки балльных оценок дефектности жести:

 

,                   (2)

где х = кп.д, к.д1, к.д2, l, к.д3, к.д4, к.д5, h, d, F, DH, DB или DL, DB1 или DL1, Dh, a – нормируемые свойства; – эмпирические константы для тонколистового проката (приведены в диссертации).

Оценка качества выпускаемой продукции производилась на шести группах тонколистовой стали, прокатанной из различных плавок, по 190–225 рулонов в каждой группе. Полученные поверхностные и внутренние дефекты, а также разнотолщинность тонких листов каждой группы образовали шесть статистических массивов, которые были подвергнуты статистической и квалиметрической оценке для выявления качества рулонов цеха жести.

Среднее значение обобщенного показателя качества для тонколистовой стали составило: 0,567821 (1990 г.), 0,597827 (1991 г.), 0,546781 (1992 г.), 0,571246 (1993 г.), 0,578946 (1994 г.), 0,567893 (1995 г.). При этом для стандартной технологии величина исправимого брака (от 0,2 до 0,37 по шкале Харрингтона): 5,21 % (1990 г.), 6,39 % (1991 г.), 4,63 % (1992 г.), 3,79 % (1993 г.), 3,5 % (1994 г.) и 3,7 % (1995 г.) от всего объема массива. Процент выполнения требований стандарта для тонколистовой стали АО «Миттал Стил Темиртау» за 1990-1995 г.г. соответственно составил: 67,6 %, 53 %, 69,5 %, 67,3 %, 63,0 %, 64,0 %. Перевод в повышенный класс точности стандартных рулонов наблюдался следующий: на  26,5 % (1990 г.), 38,8 % (1991 г.), 25,0 % (1992 г.), 28,0 % (1993 г.), 32,0 % (1994 г.), 30,2 % (1995 г.). Достижение гипотетически желательных свойств при серийной технологии: 0,79 % (1990 г.), 1,83 % (1991 г.), 0,93 % (1992 г.), 0,95 % (1993 г.), 1,5 % (1994 г.) и 2,12 % (1995 г.) (гипотетический уровень свойств от 0,8 до 1,0 по шкале Харингтона). Дисперсия обобщенного показателя качества для стандартной группы составляет: 0,087257 (1990 г.), 0,121719 (1991 г.), 0,051937 (1992 г.), 0,176458 (1993 г.), 0,069845 (1994 г.) и 0,064578 (1995 г.)

Необходимо отметить, что применяемые на практике коэффициенты вытяжки листового металла, большей частью, являются приближенными, в связи с тем, что не учитывают зависимости коэффициентов вытяжки (m) от показателя анизотропии (Rср) и упрочнения (n), радиуса закругления вытяжных кромок матрицы, скорости вытяжек и т.п.

Следовательно, зависимость коэффициента предельной вытяжки (mт) от показателя анизотропии (Rср) и относительной толщины заготовки (S/D) проводится для средних значений mт,  причем точки на кривой mRср соответствуют вероятности трещинообразования r = 50 %.

Коэффициент предельной вытяжки mт (mт = D/d, где D – диаметр заготовки, d – диаметр детали) для каждого обобщенного показателя качества f с вероятностью трещинообразования r < 50 % может быть определен по формуле

                                         (3)

где mт – истинное значение коэффициента предельной вытяжки; Dmт – доверительный интервал для вероятности трещинообразования (1 – r)/ 2 при числе опытов n и числе k = n – 1 степеней свободы, проведенных для построения диаграммы mт - f;  – коэффициент Стьюдента;  – средняя квадратичная ошибка.

Для точной оценки коэффициента вытяжки нами предложена следующая формула:

,           (4)

где   значение коэффициента предельной вытяжки листов из различных плавок, получаемое по результатам p опытов; значение коэффициента предельной вытяжки при хорошем качестве листового проката.

Построение диаграмм вытяжки для стали 08кп осуществляли по экспериментальным данным, полученным в лабораторных условиях ЦЗЛ АО «Миттал Стил Темиртау» по методике, приведенной в диссертации.

Для уточнения диаграмм вытяжки производили расчет значений средней квадратичной ошибки. Их максимальное значение составили следующие величины:  и .

Экспериментальное исследование коэффициента предельной вытяжки стали 08кп различных плавок позволили сделать вывод, что наличие случайных величин оказывает статистически значимое влияние на параметр и распределение вытяжки стали. Анализ экспериментально полученной диаграммы вытяжки стали 08кп показывает, что кривая на диаграмме вытяжки, учитывающая статистические данные, полученные при испытании двух плавок, имеет меньший показатель по сравнению с диаграммой вытяжки, построенной по средним величинам коэффициента предельной вытяжки.

Таким образом, выше приведенная методика позволяет не только определить коэффициент предельной вытяжки для рассматриваемого процесса штамповки из условия не превышения вероятности r – некоторой наперед заданной величины, но и указать основные направления инженерных разработок, в результате которых может быть либо увеличена качество листового проката, либо уменьшен выпуск бракованной продукции.

В третьей главе исследовано закономерности изменения структуры при различных видах нагружения. Исследование влияния различных видов деформаций на структуру металла проводили, используя образцы из сплава ВТ1-0, т.к. он является наиболее чувствительным металлом на деформацию, температуру и последеформационную выдержку. Образцы были изготовлены из листа толщиной 5 мм. Для получения крупнозернистой структуры образцы отжигали при температуре 800°С в защитной атмосфере (95% N2, 5% Н2) в течение 2 ч.

Для исследования влияния линейного растяжения и простого сдвига на структуру сплава ВТ1-0 использовали стандартные и специальные образцы. Путем определения оптимальных размеров, конструкция специальных образцов нами усовершенствована. Растяжение данного образца приводит к развитию в поверхностных слоях металла крутящего момента, который способствует появлению сдвигающих деформаций. При этом схема напряженного состояния соответствует кручению, то есть показатель напряженного состояния за весь период испытания остается постоянным и равным нулю.

Результаты расчета напряжения показали, что наибольшее по величине напряжение возникает на плоском участке. Поэтому при растяжении данного образца на его плоском участке сосредотачивается вся деформация и данный участок деформируется в условиях простого сдвига.

Относительное удлинение (укорочение) любого материального волокна, лежащего в плоскости хОу можно найти по формуле:

 ,                                       (5)

где  – относительный сдвиг;  – положение материального волокна до деформации.

Волокна, задаваемые углами , только удлиняются; задаваемые углами  = 0 и  не меняют длины; задаваемые углами  вначале укорачиваются, а затем удлиняются.

Изготовленные образцы с хорошо отполированной поверхностью испытывали при температурах 700, 800, 900, 1000 оС на установке ИМАШ-20-78 при скорости перемещения захватов 15 мм/мин, позволяющей с помощью высокотемпературного микроскопа МВТ-71 с максимальным увеличением ×410 непосредственно наблюдать, фотографировать микроструктуру металла в вакууме 6,6×10-4 МПа.

Степень деформации сдвига при растяжении стандартных образцов подсчитывали по формуле:

,                                                    (6)

где  и  − компоненты тензора конечной деформации; и  − размеры поперечного сечения плоского образца до и после деформации.

При испытании на простой сдвиг степень деформации сдвига определяли измерением углов наклона риски, нанесенной на поверхность образца новой конструкции, в процессе растяжения, и подсчитывали по известной формуле:

,                                                                 (7)

где  и  – углы наклона рисок, нанесенные на поверхность образца, к образующей до испытания и после него.

В центральной части стандартного и специального образца производили фотографирования структуры следующих моментов: исходной (при комнатной температуре); перед деформацией (при температуре испытания); во время деформации; после деформации (при температуре испытания с определенным временем выдержки).

Проведенные исследования показали, что структура металла образцов из сплава ВТ1-0, деформированных растяжением при температуре 700 оС, вытянута в направлении течения металла. При этом величина средних размеров зерен образцов равняется 78,8 мкм, 92,6 мкм, 72,4 мкм и 59,35 мкм при степенях деформации сдвига 0,015; 0,05; 0,08 и 0,11 соответственно. Повышение температуры до 1000 оС образцов деформированных при 700 оС, способствует прохождению первичной рекристаллизации и получению мелкозернистой структуры (средний размер зерен =32,6 мкм).

Аналогичные изменения в структуре металла наблюдались и при проведении испытания на растяжение при 800 оС. Величина средних размеров зерен образцов равняется 63,25 мкм, 72 мкм, 68,94 мкм и 62,5 мкм при степенях деформации сдвига 0,015; 0,065; 0,12 и 0,17, соответственно. Повышение температуры до 1000 оС образцов деформированных при 800 оС также способствовало прохождению первичной рекристаллизации и получению мелкозернистой структуры (средний размер зерна  = 34,7 мкм).

Далее исследования показали, что существенное влияние на размер зерен оказывает температура нагрева. Так при температурах 900 и 1000 оС с увеличением степени деформации сдвига изменяются размеры и формы исходных b- зерен, которые сплющиваются, вытягиваются вдоль направления течения металла, приобретая эллипсоидообразную форму. При этом величина средних размеров зерен образцов равняется: 66,2 мкм, 62,4 мкм, 72,8 мкм и 112,6 мкм (900 оС); 73,6 мкм, 122,4 мкм, 132,3 мкм и 142,2 мкм (1000 оС) при степенях деформации сдвига 0,01; 0,08; 0,14 и 0,2, соответственно. После деформационная выдержка в течение 30-40 мин. приводит к прохождению первичной рекристаллизации, и средний размер зерен уменьшается до 28,6 мкм (900 оС) и 24,7 мкм (1000 оС).

Анализ результатов исследования структуры металла, проведенного на образцах усовершенствованной конструкции, показал, что обработка металлов в условиях развития сдвиговых деформации по сечению заготовки вызывает интенсивное уменьшение размеров зерен.

Так, сравнение исследования на сдвиг и растяжение, проведенного при температуре 700 и 800 оС, показали, что величины средних размеров зерен, которые получаются при растяжении со степенью деформации сдвига L = 0,11 – 0,17 при сдвиге можно достичь при величине L = 0,07 – 0,1. При этом повышение температуры до 1000 оС образцов деформированных при 700 и 800 оС приводит к первичной рекристаллизации (средний размер зерен  = 21,7 мкм (700 оС) и =26,9 мкм (800 оС)).

Необходимо отметить, что с повышением температуры деформации при сдвиге до 900 и 1000 оС существенную роль в формировании структуры начинает играть температура, степень деформации сдвига и после деформационная выдержка. Так, растяжение специального образца при выше указанных температурах со степенью деформации сдвига L = 0,15 – 0,2 и выдержка в течение 5 – 15 мин приводит к прохождению рекристаллизации и формированию мелкозернистой структуры (средний размер зерен  = 22,8 мкм (900 оС) и  = 16,4 мкм (1000 оС)).

В исследованном титановом сплаве, деформированном в b - области, новые зерна при рекристаллизации зарождаются лишь в приграничных объемах деформированных зерен до соприкосновения с зернами, растущими от противолежащих границ деформированных зерен.

При такой схеме изменения зеренной структуры в момент достижения полной рекристаллизации (t100) размер рекристаллизованного зерна () определяется соотношением:

                                                                   (8)

т.е. зависит только от размера зерна в исходной структуре () и степени деформации сдвига (L).

Однако необходимо отметить, что первичная рекристаллизация при простом сдвиге достигается при меньшем значении L по сравнению с одноосным растяжением.

Все перечисленные выше параметры обработки воздействуют на величину t100, которая и определяет структуру деформированного металла после выдержки. Так, при времени выдержки после деформации t меньше t100, структура металла соответствует стадии частичной рекристаллизации, т.е. является неоднородной, размер рекристаллизованных зерен не превышает , при этом зеренная структура металла зависит фактически от величины исходного b - зерна.

Структура металла при условии t = t100 соответствует самому мелкозернистому при данных условиях деформации состоянию с однородным рекристаллизованным зерном, размер которого находят из соотношения (8).

При t > t100 металл полностью рекристаллизован, величина зерна , причем, если  t >> t100, рекристаллизованное зерно может быть крупнее исходного, т.е. эффект измельчения структуры при деформации может отсутствовать.

Результаты проведенного исследования показали, что t100 после растяжения специального образца по величине является меньшим по сравнению с растяжением стандартного образца.

Установили, что для наиболее интенсивного измельчения исходных b – зерен деформацию целесообразно вести в условиях интенсивного развития сдвиговых деформаций и по таким температурно-временным режимам, при которых полностью проходит первичная рекристаллизация.

В четвертой главе исследовано НДС металла при прокатке в валках с изогнутой формой.

С целью повышения производительности и качества получаемых листов путем локализации сдвиговой деформации в объеме металла при незначительном изменении размеров исходной заготовки, предлагается новый валок изогнутой формы.

Новый инструмент для прокатки стали и сплавов, содержит верхний и нижний валки с овальными или круглыми впадинами на поверхности. При этом валки имеют дополнительные овальные или круглые выступы, размещенные противоположно овальным или круглым впадинам. Размеры овальных или круглых выступов и впадин определяются по формуле:

,                                     (9)

где  – высота выступов или глубина впадин; R – радиус валков; n – количество выступов или впадин;  – изменяющаяся ширина выступов или впадин; L – длина выступов или впадин. Выступы или впадины верхнего валка расположены противоположно впадинам или выступам нижнего валка соответственно.

Прокатку непрерывнолитых заготовок осуществляют следующим образом. Заготовка подается в зазор между верхним и нижним  валками и деформируется противоположными овальными или круглыми выступами и впадинами. Прокатка непрерывнолитых заготовок двумя проходами в валках с противоположными овальными или круглыми выступами и впадинами с единичными обжатиями  и  (– высота непрерывнолитой заготовки перед прокаткой), соответственно, обеспечивает эффективное измельчение структуры стали и сплавов по всему сечению заготовки за счет знакопеременной деформации изгиба в продольном и поперечном сечениях непрерывнолитой заготовки. При этом прокатка в валках, размеры выступов и впадин которых определяются по формуле (8), с вышеуказанными единичными обжатиями, позволяет без изменения толщины сляба достигать эффективного измельчения структуры стали и сплавов и удаления печной окалины с поверхности заготовки.

При заполнении впадин валка металлом, боковое сопротивление оказывают не только части металла, находящиеся в контакте с валками, но и весь очаг деформации. Объемы металла, находящиеся вне основного участка изгиба, играют роль жестких концов, создающих боковое сопротивление, усиленное поперечным и продольным изгибом, силами трения и конфигурацией валков. В результате этого возникает растягивающее усилие N, как сумма усилий от контактного трения между полосой и валками.

Для исследования напряженного состояния при прокатке в валках новой конструкции использовали методику совместного решения уравнения равновесия и пластичности, предложенную в литературе.

При малых деформациях изгиба преобладающее влияние оказывают контактные напряжения, вызывая перераспределение напряжений и деформаций по сечению полосы. Это обстоятельство приводит к резкому смещению нейтрального слоя напряжений и деформаций. По мере увеличения кривизны, деформация от изгиба играет преобладающее влияние в общей деформации, а влияние деформации от тангенциального растяжения постепенно падает. При этом радиусы кривизны нейтральных слоев деформаций и напряжений не совпадают даже при отсутствии упрочнения. Большое смещение вызывает перераспределение деформации по сечению полосы, увеличивая растягивающие в наружной и уменьшая сжимающие деформации во внутренней зоне. По результатам расчетов построены графики распределения напряжений по толщине полосы в осевой плоскости валков.

Данные расчетов свидетельствует о том, что тангенциальное и осевое напряжения в зоне растяжения имеют положительный знак, а в зоне сжатия – отрицательный знак. При этом радиальные напряжения на поверхности равняются нулю, в то время как по толщине имеют отрицательную величину. Полученные эпюры дают достаточно наглядное представление о характере распределения напряжения по толщине полосы при наличии упрочнения материала и растягивающей силы N. На нейтральном слое деформации тангенциальные и осевые напряжения отрицательны и равны приблизительно радиальным напряжениям. При приближении к нейтральному слою напряжения становятся положительными и постепенно возрастают по величине.

Знакопеременное деформирование изгибом приводит к существенному накоплению степени деформации сдвига  (, n количество изгибов), даже при сравнительно небольших значениях интенсивности логарифмической деформации . Например, в нейтральном слое деформации  имеет малую величину, в то время как величина L в нейтральном слое деформации имеет достаточно большое значение. Связано это с тем, что степень деформации сдвига представляет собой сумму нескольких значений , полученных на этапе изгиба со знаком «плюс» и изгиба со знаком «минус». Такому накоплению степени деформации сдвига способствует смещение нейтральных слоев напряжений и деформаций при знакопеременном изгибе заготовки в валках новой конструкции. Таким образом, при неизменной толщине непрерывнолитых слябов можно накопить большую величину степени деформации сдвига, что способствует: дроблению литой структуры; росту искажения кристаллической структуры, упрочнению и рекристаллизации, т.е. формированию мелкозернистой структуры.

Используя, полученные данные по НДС, провели расчет степени использования ресурса пластичности на вертикальной плоскости симметрии изгибаемого непрерывнолитого сляба.

Результаты исследования параметров напряженно-деформированного состояния на поверхности изгибаемой полосы для вертикальной плоскости симметрии позволили установить, что при прокатке полосы из стали 08 кп в валках изогнутой формы, нарушения сплошности нет при величине изгиба eps = 0.358.

 

Заключение

 

Краткие выводы по результатам диссертационных исследований:

1.     Показано, что в методологическом аспекте достаточно обоснованное решение проблемы количественной оценки качества листов дает квалиметрия.

2.     Предложена новая методика статистической обработки диаграмм вытяжки. Построена диаграмма  для стали 08кп.

3.     Установлено, что поликристаллы, деформированные простым сдвигом, упрочняются интенсивнее, нежели поликристаллы, деформированные простым растяжением или сжатием. Интенсивное упрочнение приводит к быстрому происхождению в деформируемом металле разупрочняющих процессов.

4.     Рассчитаны оптимальные размеры и усовершенствована конструкция образца, позволяющего развивать простой сдвиг.

5.     Установлены закономерности формирования зеренной структуры металлов и сплавов при различных температурах деформации, определяемые развитием процессов рекристаллизации и роста зерен.

6.            Выявлены особенности процессов рекристаллизации и роста зерен металлов и сплавов при деформации простым сдвигом и линейным растяжением.

7.            Представлены технологические возможности активизации процесса рекристаллизации и предотвращения роста зерен с целью эффективного измельчения структуры.

8.            Предложена новая конструкция прокатного валка для деформирования металлов и сплавов.

9.            Установлено, что при прокатке в выпукло-вогнутых валках тангенциальное и осевое напряжения в зоне растяжения имеют положительный знак, а в зоне сжатие отрицательный знак. При этом радиальные напряжения на поверхности полосы равняются нулю, в то время как по толщине имеют отрицательную величину.

10.  Расчет степени использования ресурса пластичности показал, что при прокатке в выпукло-вогнутых валках не ожидается нарушения сплошности металла.

Оценка полноты решений поставленных задач. В результате проведения физико-механических, технологических и промышленных исследований оценено качество полос и предложены эмпирические зависимости позволяющие оценить качество готового проката. Решены следующие научные и практические задачи: дана оценка качества горячекатаных и холоднокатаных полос АО «Миттал Стил Темиртау»; разработана новая методика статистической оценки технологических свойств листового материала и построена диаграмма зависимости  для стали 08кп; исследованы закономерности изменения структуры металла при различных видах напряженного состояния; исследовано напряженно-деформированное состояние металла при изгибе в валках изогнутой формы и рассчитана степень использования ресурса пластичности (СИРП). Задачи, поставленные в диссертации, решены полностью.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов.

Выведенные эмпирические и статистические формулы, найденные закономерности по формированию структуры и распределения напряженно-деформированного состояния при прокатке в выпукло-вогнутых валках вносят определенный вклад в решение важной задачи технологии и машин обработки давлением – оценки качества выпускаемой продукции, разработка и технологии прокатки для производства полос с высоким качеством. Данные, проведенных экспериментов, показали, что для интенсивного измельчения зерна, необходимо разрабатывать инструменты, развивающие сдвиговые деформации, а для сбивки окалины и повышения качества листового проката использовать выпукло-вогнутые валки. Полученные на основе промышленных данных эмпирические формулы позволят достоверно оценить качество продукции в рыночных условиях.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Применение предложенных методов оценки качества в промышленности увеличит прибыль от реализации продукции, т.к. данные методики, достоверно оценивая качество, позволят произвести правильную сортировку листового проката.

Использование выпукло-вогнутых валков в производстве позволит выпускать продукцию высокого качества, что даст технико-экономический эффект.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Представленная работа, описанные в ней результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также полученные предпатенты РК на изобретения, позволяют сделать вывод о том, что предлагаемая работа соответствует современному научно-техническому уровню.

Акт о проведении опытно-промышленного апробирования приведен в приложении Д диссертационной работы.

Список опубликованных работ по теме диссертации

 

1              Омаров А.Д., Машеков С.А., Жармаганбетова М.С., Секербек А.М. Предупреждение дефектов черного металла //Проектирование, строительство и эксплуатация транспортно-коммуникационных сооружений; Межвузовский сборник научных трудов. – Алматы: КазАТК, 1999, выпуск 8. – С. 16 -22

2                            Предварительный патент на изобретение № 12170 МКИ В21J 5/00/  Инструмент для прокатки стали и сплавов //Омаров А.Д., Машеков С.А., Жармагамбетова М.С., Секербек А.М., Машеков А.С., Удербаева А.Е. Опубл. в ПС, 15.11. 2002, бюл. №11.

3              Машеков С.А., Секербек А.М., Абсадыков Б.Н., Оценка качества горячекатаных полос //Труды 2-ой Международной научно- практической конференции молодых ученых. – Алматы: КазНТУ, 2002 г.,Ч.2. – С. 301-316.

4              Машеков С.А., Секербек А.М., Удербаева А.Е. Напряженно-деформированное состояние металла непрерывнолитых слитков при изгибе в валках изогнутой формы. //Труды 2-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых. – Алматы: КазНТУ, 2002 г.,Ч.2. – С. 213-217

5                            Машеков С.А., Секербек А.М., Абсадыков Б.Н. Исследование влияния линейного растяжения, простого сдвига, температуры, времени выдержки на структуру титановых сплавов. //Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы машиностроения и металлургии». Алматы: КазНТУ, 2002 г.

6                            Машеков С.А., Секербек А.М. Методика статистической оценки технологических свойств листового материала. – Алматы: Вестник КазНТУ, 2004, №2 (40), – С. 59-64.

7                            Машеков С.А., Абсадыков Б.Н., Секербек А.М., Нуртазаев А.Е.  Оценка качества тонколистовой стали. – Алматы: Вестник КазНТУ, 2004, №3 (41), – С. 53-66.

8              Предварительный патент на изобретение № 47225 /Инструмент для горячей прокатки металлов  и сплавов /Машеков С.А., Абсадыков Б.Н., Курмангалиева Л.А., Биякаева Н.Т., Секербек А.М. опуб. 16.01.2006, бюл. №1.

9              Байгунчеков Ж.Ж., Машеков С.А., Секербек А.М., Возможности квалиметрии при контроле качества трубопроводов нефтепромысловой отрасли //Труды Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии» –Темиртау: КарМетИ, 2005, – С. 409-415.

10         Машеков С.А., Секербек А.М., Абсадыков Б.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния на поверхности изгибаемой заготовки при прокатке в валках изогнутой формы //Труды 2-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых. – Алматы: КазНТУ, 2002 г.,Ч.2. – С. 297-300.

11                    Абсадыков Б.Н., Секербек А.М., Удербаева А.Е. Валок изогнутой формы для прокатки непрерывнолитых слитков //Труды 2-ой Международной научно-прак тической конференции молодых ученых. – Алматы: КазНТУ, 2002 г.,Ч.2. – С. 208-212.

12         Машеков С.А., Абсадыков Б.Н., Курмангалиева Л.А., Секербек А.М. Возможности квалиметрии при контроле качества горячекатаных труб //Материалы международной  научной конференции «Актуальные проблемы механики и машиностроения». Алматы: КазНТУ, 2005 г., том.– С. 130-138.

 


Секербек Аймангүл Мейрамқызы

 

Техникалық ғылымдар кандидаты дәрежесін ізденушінің диссертациясы

05.03.05 – Қысыммен өңдеудін технологиялары және машиналары

 

Андатпа

 

Квалиметриялық бағалау және біліктердін жұмысшы бетін жетілдіру негізінде илемнін сапасын жақсарту

 

Зерттеу объектісі. Илемді пішінөзгерту тәсілдерімен алынатын металдан жасалған бұйымдардың сапасын басқару мәселесі осы саладағы мамандарға белгілі. Қазіргі уақытта үдерлі қолданылып жүрген, металдарды қысыммен өңдеу (МҚӨ) механикасы аппаратын қолдану негізінде тек айтылған мәселені шешу мүмкін емес. Мәселені шешу әдісі болып квалиметрия теориясының қолдануы саналады. Металдарды қысыммен өңдеудің механикасының аппаратын және квалиметрия теориясын кешенді түрде қолдану, металөңдеу дайындамаларының және бұйымдарының сапасын жақсарту бойынша мәселені нақты шешуге мүмкіндік береді. Бірақта, илемдеу өндірісінде мұндай бағыттағы жұмыстар толық түсіндірілінетін себеппен мәселені қою сатысында тұрған болғандықтан, осы бағытты дамыту өзекті деп санауға болады.

Илемді деформация жүрген кезде бір мезгілде әсер ететін сырғу жүйелерінің санында үлкен маңызы бар екендігін айта кеткен жөн. Өйткені олардан, деформация жүрген кезде қалыптасатын, дислокациялық құрылымның түрі тәуелді болады. Дислокациялық құрылым деформация кезіндегі сырғу кедергісіне (дислокациялардың қозғалуына) немесе беріктенуге, ал тағы да кейінгі беріксіздену жағдайына әсерін тигізетіні белгілі. Сондықтан, сызықты созудың, қарапайым ығысудың бір мезгілде әсер ететін сырғу жүйелерінің санына, яғни беріктенуге және беріксізденуге әсерін зерттеу біз үшін өте маңызды.

Жоғарыда айтылғанға байланысты, жолақты илемнін сапасын жақсартуға бағытталған илемдердің дәстүрлі технологиясын жақсарту және жаңа технологияны жасау зерттеудің объектісі болып саналады.

Жұмыстың мақсаты. Математикалық және физикалық моделдеу әдістемесіне негізделген кешенді зерттеуді іске асыру негізінде сызықты созудың және қарапайым ығысудын металдын құрылымына және илемдейтін болаттын сапасына әсерін зерттеу. Сапаны басқару бойынша жаңа ғылымдық нәтижені алу. Металдық бұйымнын сапасын жақсартуға бағытталған басқарушы әсерлерді таңдап, зерттеуші сынауларда жаңа техникалық және технологиялық шешімдерді байқаудан өткізу.

Қойылған мақсаттарға жету үшін келесі мәселелер шешілді:

а) илемдеген кезде ақаулардын пайда болу заңдылықтарын зерттеу. Осы зерттеулердін негізінде жолақты илемнің сапасын кешенді бағалаудың әдістемесін жасау;

б) теориялық және тәжірибелік түрде металдын сапасына ығысу деформациясының әсерін негіздеу;

в) механикалық сынаудың нәтижесін статикалық сараптаудын әдістемесін жасау;

г) әр түрлі температуралы-деформациялық режімдерде сызықты созудың және қарапайым ығысудың әсерін ескеріп бастапқы дайындаманын өлшемдерін аз өзгертетін және ауыспа таңбалы деформацияны іске асыратын илемдеу құрал-сайманын жасау;

д) тұтас орта механикасының математикалық әдістемесін қолданып кернеу-деформация күйін зерттеу, ығысу деформациясының дәрежесін және илемділік қорын қолдану дәрежесін анықтау негізінде отқабыршықты қағуды жақсартатын және жолақтын сапасын жоғарлататын қаңылтырды илемдеу режімін жасау.

Зерттеу әдістері. Жұмыста қазіргі заманның зерттеу тәсілдері қолданылған (металлографиялық талдау, жоғары температуралық микроскопия, механикалық қасиеттерді анықтау және т.б.). Ғылымдық нәтижелердін және қорытындылардын аққиқаттылығы қатты деформацияланатын дененін механикасы теориясының аппараты, математика және жүйелі талдау базасында орындалған теориялық зерттеулермен негізделген.

Жұмыста жолақтық илемнін сапасын бағалауға, әр түрлі сынауларда құрылымның қалыптасуына және шекті кермелеудің коэффициентін жорамалдауға бағытталған маңызды проблеманы шешудің нәтижелері келтірілген. Осы жұмыста тағы да жолақтық илемнін сапасын жақсартуға мүмкіндік беретін илемдеудін технологиясын жақсартуға бағытталған ғылымдық нәтижелер келтірілген.

Осы себептен:

– жолақтардың сапасын айқын сипаттауға мүмкіндік беретін жолақтық илемнің жеке қасиеттері үшін (механикалық қасиеттер, химиялық құрам, құрылым, беттік және ішкі ақаулар) эмпириялық байланыстар анықталған;

– металдардың құрылымы қалыптасуға температураның, деформацияның және деформациядан кейінгі ұстаудың әсерлерінің заңдылықтары табылған;

– шекті кермелеуді зерттеудің нәтижелерін статистикалық өңдеудің әдістемесі жасалған;

– жолақтарды дөңес-ойық біліктерде илемдеген кезде пайда болатын кернеу-деформациялы күйдін өзгерістерінің негізгі заңдылықтары анықталған және бірінші рет олардың мөлшерлік деректері табылған.

Илемді жолақтың сапасын квалиметриялық тәсілмен бағалаудың ұсынылған әдісін тұтынушы және шығарушы (соның ішінде АО Миттал Стил Темиртау) қолдана алады.

 

 

 

 

 

 

Sekerbek Aimangul

 

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate tech. sci.

05.03.05 – Technology and machine of plastic working

 

Resume

 

The quality rolling improvement on the base of the investigation

 

The problem of controlling metal ware quality which is produced by the ways of plastic changing of forms is well known. It is impossible to solve this problem only on the base of using mechanism apparatus metal plastic working (MPW) as it is being done at present. The way of solving the problem is possible by using theory of qualimeter. Complex using of mechanics apparatus (MPW) and the theory of qualimeter will really allow it to solve the tasks on optimization of quality of blanks and wares of metalworking.

However, as far as the works like there in roll production are at the stage of spectacular character by quite explicable reason. It must be recognize as actual the development to this direction.

It is necessary mentioned when it is plastic deformation, the number of simultaneously acting system of sliding are of great importance as it is character forming by deformation of dislocated structure depend on them. As it is known dislocated structure has influence on sliding resistance (dislocations moving) or strengthening during deformation and on the condition of following unstrengthening.

Therefore the study of influence of linear tension, simple shear on the amount of simultaneously acting, sliding acting i.e. on strengthening and unstrengthening have great importance.

In view of stated above, the object of investigation is improvement traditional and working out in essence new technology processes of rolling which are directed to raise quality of sheet rolling.

The aim of the work.

On the base of realization complex method of approach which is based on methodology of mathematical and physical modeling, investigate the influence of linear tension and simple shear on the structure of metal and quality of rolling steel to obtain new scientific results of control quality, make controlling influences have approbation in research test new technical and technological decisions which are towards higher quality of metal ware.

The main tasks for reaching of the aim:

a)     investigate the regularities of defects when rolling, and on the base of these investigations, make methods of complex estimate of sheet rolling quality;

b)    give theoretical and experimental substantiation of influence of shear deformation on metal quality;

c)     working out of methods statistical treatment of mechanic test results;

d)    working out the tool for rolling, which realize sing changing deformation when it is insignificant changing’s of elementary size, with calculation of influence of linear tension and simple shear when it is different temperature – deformation conditions;

e)     working out of sheet rolling conditions, which make it is easy to take away the cinder and raise the sheet quality, on the base of investigation of tensely – deformed condition, definition of degree shear  deformation and degree of using recourses plasticity (DURP).

Methods of investigations.

Modern methods of investigations are used in the work (metallographic analysis, high temperature microscopy, definition of mechanical characteristics and others). Trustworthiness of scientific results and conclusions are substantiated theoretical investigations, which made on the base of scientific view and apparatus of mechanic theory of deformed solid mathematic and system analysis. Scientific propositions, their interpretation and conclusions of dissertation are based on modern view about thermal methods of influence on structural changing in the metals and alloys. In the work there are results of decision of important problem according to estimation of sheet rolling quality, forming of the structure when it is various types of tests and prognostication efficiency of maximum drawing and improving of rolling technology. It is raise the sheet rolling quality.

In connection with that:

regularities of influence of temperature, deformation and tenacity after deformation which is influence on forming structure of metal were found out;

empirical dependences for single characteristics of sheet rolling were received (mechanical characteristics, chemical composition, structure, surface and internal defects). They will be able to characterize sheet quality with the objectivity;

statistical treatment methods of results of

for the first time quantitative data were received investigation maximum drawing were worked out; and main regularities of changing of tensely, deformed condition, when cheats are rolled in concave – crown rolls were adjusted.

Suggested methods of quality estimation of sheet rolling by gualimeterical methods can be used as consumer as producer, including Mittal Steel Temirtau.

Вы 20327105-й посетитель.
Powered by Drupal
Copyright © KazNRTU, 2007-2016