авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Моделирование температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов

На правах рукописи

СКОСАРЬ ЕКАТЕРИНА ОЛЕГОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ПРОКАТКЕ

ДЛИННОМЕРНЫХ РЕЛЬСОВ

Специальность 05.16.05 – Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образо вательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Шилов Владислав Александрович.

Официальные оппоненты: - Готлиб Борис Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения», заведующий кафедрой мехатроники;

- Митрофанов Андрей Анатольевич кандидат технических наук, ОАО «ЕВРАЗ НТМК», начальник управления технического контроля производства железнодо рожного проката.

Ведущая организация - ОАО «Уральский институт металлов».

Защита состоится 15 марта 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.04 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный универси тет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28, корп. 3, ауд. Мт-329. Тел: (343) 375-45-74, факс:

(343) 374-53-35, Е-mail: omd@mtf.ustu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».

Автореферат разослан «12» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Мальцева Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важных государственных задач в на стоящее время является повышение эксплуатационного ресурса и качества же лезнодорожных рельсов. Отечественные рельсы, выпускаемые Нижнетагиль ским и Новокузнецким металлургическими комбинатами по своим эксплуата ционным свойствам значительно уступают лучшим зарубежным аналогам (рельсам Японии, Франции, США, Австрии и др. производителей) и не удовле творяют постоянно возрастающим современным требованиям грузовых и пас сажирских перевозок. Открытым акционерным обществом «Российские желез ные дороги» поставлена задача к 2030г увеличить объем грузовых перевозок в 1,7 раза (до уровня 2,4 млрд.т в год), повысить ресурс рельсов на прямых уча стках путей до 1500-2500 млн.т груза брутто (вместо 600-800 млн.т брутто в на стоящее время), увеличить маршрутные скорости движения пассажирских по ездов на высокоскоростных магистралях до 250-350 км/ч, перейти на использо вание рельсов длиной до 100м (вместо 25м в настоящее время) с целью умень шения количества сварных швов на железнодорожном полотне.

Получить рельсы, удовлетворяющие указанным требованиям, на дейст вующих линейных рельсобалочных станах ОАО «НТМК» и ОАО «НКМК»

практически невозможно. В передовых зарубежных странах (Япония, США, Австрия, Китай и др.) для производства высококачественных длинномерных рельсов применяют современные рельсобалочные станы, снабженные непре рывно-реверсивными группами универсальных четырехвалковых и вспомога тельных двухвалковых клетей, а также устройствами для термоупрочнения рельсового раската. С учетом этих тенденций первый в России такой стан со оружается в настоящее время на Челябинском металлургическом комбинате, производится реконструкция рельсобалочного стана ОАО «НКМК» (г. Ново кузнецк). В предпусковом периоде этих станов целесообразно провести науч ный анализ и обоснование рациональной технологии производства длинномер ных рельсов.

Согласно техническим требованиям (ГОСТ Р51685-2000, Евронормы EN 13674-1:2003, стандарты США AREMA-2003, Канады CN12-16C, Индии Т12 96, КНР ТВ/Т 2344-2003 и др. стандарты) длинномерные рельсы должны иметь высокую прямолинейность, высокую и стабильную по длине точность размеров профиля и равномерные механические свойства по длине рельса. Указанные качества существенно зависят от распределения температуры в поперечных се чениях и по длине раската в чистовом проходе, а также от режима охлаждения раската при термообработке. Неравномерность распределения температуры по элементам рельсового профиля (головке, шейке, подошве) и по длине полосы вызывает соответствующую неравномерность напряжений в названных участ ках раската, и при охлаждении его происходит искривление и коробление (от клонение от прямолинейности) закаленного рельса. В то же время в литературе практически отсутствуют достоверные сведения о распределении температуры по элементам рельсового раската: практически все известные исследования процессов прокатки в универсальных калибрах выполнены в изотермических условиях.

Изложенное выше позволило сформулировать цель диссертационного исследования: определить закономерности изменения температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов на со временном рельсобалочном стане и разработать научно обоснованные техниче ские решения по повышению прямолинейности закаленных рельсов.

Работа проводилась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по государственному контракту № 02.740.11.0152 «Разработка комплексной металлургической тех нологии производства высококачественных стальных изделий массового назна чения» (шифр 2009-1.1233-032-00 7).

Научную новизну работы представляют следующие разработки:

методика моделирования методом конечных элементов в программ ном комплексе «DEFORM-3D» температурных полей и напряженного состоя ния металла при прокатке длинномерных рельсов;

закономерности изменения температуры и интенсивности напряже ний по длине и в поперечных сечениях раската при прокатке рельсов на уни версальном рельсобалочном стане;

математическая модель температурного состояния чистового рельсо вого раската перед термообработкой, позволяющая определять режимы охлаж дения рельса при термоупрочнении;

упрощенный аналитический метод расчета температурных полей при прокатке рельсов, позволяющий с минимальными затратами времени достовер но определять распределение температуры по элементам раската;

научные объяснения причин нарушения прямолинейности рельсов при прокатке и термообработке.

Практическую значимость работы представляют следующие результа ты диссертации:

- алгоритмы расчета инженерным методом распределения температуры по длине и поперечным сечениям раската;

соображения о целесообразности применения на универсальном рельсобалочном стане отдельно стоящей калибрующей клети, удаленной от не прерывно-реверсивной группы тандем на расстоянии более длины предчисто вого раската;

научно обоснованные рекомендации по выбору способа и устройства для термообработки длинномерных рельсов в условиях современного универ сального рельсобалочного стана;

техническое решение по совершенствованию способов охлаждения чистового рельсового раската при термообработке с целью повышения прямо линейности длинномерных рельсов.

Достоверность полученных выводов и положений диссертации осно вывается на применении фундаментальных положений теории сортовой про катки, опыте развития рельсопрокатного производства, использовании класси ческого метода конечных элементов и современных программных средств (DEFORM-3D, SolidWorks, MathCAD) и подтверждается проверкой в условиях действующего рельсобалочного стана.

В целом разработанные положения и полученные результаты диссерта ции направлены на совершенствование рельсопрокатного производства с целью повышения качества и прямолинейности длинномерных рельсов.

Результаты диссертационной работы использованы в ОАО институт «УралНИИАС» при разработке проекта реконструкции прокатного цеха № Челябинского металлургического комбината с установкой универсального рельсобалочного стана по контракту № RMCGL101 – DE - 05.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион ной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и се минарах: IX международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ’11). СПбГПУ: – г. Санкт Петербург, 2011. Пятый международный научно-практический семинар «Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением им. А.Ф. Головина. Модернизация и инновации в металлургии и машинострое нии»: – г. Екатеринбург, 2011. Шестая международная молодежная научно практическая конференция «Инновационные технологии в металлургии и ма шиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина»: – г. Екатеринбург, 2012.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опублико вано в 7-и печатных трудах, в том числе в 3-х рецензируемых изданиях, реко мендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и изложена на 117 страницах машинописного текста, включая рисунков, 5 таблиц, 2 приложения и библиографический список из 117 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации и дана общая характеристика работы.

В первой главе представлен аналитический обзор по теме диссертации.

Показано, что в мировой практике для производства высококачественных длинномерных рельсов применяют современные рельсобалочные станы, снаб женные непрерывно-реверсивными группами универсальных клетей и специ альными устройствами для термоупрочнения чистового раската. Сформировал ся типовой по составу оборудования универсальный рельсобалочный стан. В России первые станы такого типа сооружаются в настоящее время на Челябин ском и Новокузнецком металлургических комбинатах.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств длинномерные рельсы, полученные на таких станах, должны иметь высокую и стабильную по длине точность размеров и механических свойств, а также минимальные откло нения от прямолинейности. Особенно важное значение имеет прямолинейность рельсов для высокоскоростного движения (до 350 км/ч). Указанные показатели существенно зависят от температурных режимов прокатки и технологии термо обработки рельсов. В обзоре выполнен анализ влияния этих факторов на каче ственные показатели рельсов.

Наблюдаемая на практике неравномерность температуры по элементам рельсового профиля в поперечных сечениях и по длине раската приводит к скручиванию и отклонению от прямолинейности рельса. Поэтому при разра ботке технологии производства рельсов необходимо правильно рассчитать температуру элементов профиля и управлять температурным режимом прокат ки и охлаждения рельсов.

Известные формулы расчета температуры (А.П. Чекмарева, П.И. Полухи на, М.А. Зайкова, А.Г. Стукача, Г.П. Иванцова и др.) при прокатке фасонных, в т.ч. рельсовых профилей, позволяют определять среднюю по профилю темпе ратуру металла в каждом проходе и не позволяют рассчитывать температуру в характерных точках (областях) очага деформации, т.е. рассчитать температур ные поля в поперечных сечениях по длине раската.

Вопросам расчета температурных полей в задачах обработки металлов давлением посвящены работы Г.П. Иванцова, Н.Ю. Тайца, А.А. Каракиной, В.И. Тарновского, Н.И. Ялового, А.Ф. Рыжова, М. А. Тылкина, П.И. Полухина, А.В. Лыкова, А.Д. Томленова, М.А. Михеева и др. ученых. Большинство авто ров используют аналитический метод теории теплопроводности. Однако при менение этого метода ограничено относительно простыми задачами прокатки в гладких валках и не позволяет получить решения задачи для сложной формы очага деформации рельса с учетом неравномерного распределения деформации по длине и по сечению раската. Более эффективно использовать вариационные или конечно-разностные методы, одним из которых является наиболее распро страненный в последнее время метод конечных элементов (МКЭ). Развитию этого метода посвящены работы О. Зенкевича, А.И. Вальтера, Н.Б. Дорохина, Л.А. Розина, Е.М. Морозова, Р. Галлагера, Г. Стренга, Ш. Кобаяши. На основе использования МКЭ в настоящее время разработано большинство вычисли тельных инженерных программных комплексов: DEFORM-3D, FORGE, Super Form, QForm-3D и др. При пользовании этими комплексами инженер задает конечно-элементную сетку и форму элементов, чаще всего используются эле менты треугольной и тетраэдрической формы. При расчете программа выбира ет среднее значение температуры из каждого элемента сетки и таким образом простраивается температурное поле всей деформируемой области. В таком ви де МКЭ широко используется в научно-исследовательских и проектных рабо тах при анализе температурных полей и НДС металла в процессах ковки, штамповки, прокатки. С применением программного комплекса DEFORM-3D в УГТУ - УПИ было проведено исследование процессов прокатки рельсов в уни версальных калибрах: установлены закономерности входа раската в калибр, оп ределено деформированное и напряженное состояние металла в очаге деформа ции, рассчитаны силы, действующие на горизонтальные и вертикальные валки.

Установлено, что наиболее рациональный режим деформации реализуется при одинаковых коэффициентах вытяжки по шейке, головке и подошве профиля.

Разработана методика расчета калибровки валков с применением универсаль ных калибров. Однако все эти исследования выполнены при изотермических условиях прокатки, без учета неравномерности распределения температуры по элементам рельсового профиля и по длине раската, а следовательно, не могут быть применены для управления прямолинейностью рельсов.

Высокие механические свойства и прямолинейность рельсов зависят в значительной степени от технологии термической обработки, включающей за калку с прокатного или отдельного нагрева и отпуск, с получением тонкопла стинчатой перлитной структуры. В настоящее время известно достаточно большое разнообразие способов и устройств для термоупрочнения рельсов от поверхностной закалки головки с прокатного нагрева до объемной закалки все го тела рельса с повторного нагрева и с применением различных охлаждающих сред (вода, водовоздушная смесь, сжатый воздух, масло, раствор полимеров и др.), подаваемых на рельс различными способами (соплами, спреерами, фор сунками, погружением в ванны и т.п.). В диссертации представлен подробный анализ известных способов и устройств. Показано, что на универсальных рель собалочных станах нового типа применяют в основном термоупрочнение рель сов с прокатного нагрева с дифференцированной подачей охлаждающей среды на различные участки (элементы) профиля.

Установлено, что влияние рассмотренных способов и устройств на каче ственные показатели рельсовой продукции различны. Однако, как показывает практический опыт, для всех способов термообработки рельсов характерным недостатком является искривление и коробление (отклонение от прямолиней ности) закаленного рельса, причем степень этого отклонения от прямолинейно сти увеличивается с увеличением длины рельса. Это осложняет последующую правку и отделку рельсов, особенно длинномерных. Причиной такого отклоне ния от прямолинейности являются неравномерные остаточные напряжения в элементах профиля закаленного рельса, что в свою очередь является следстви ем неравномерности распределения температуры по элементам профиля в по перечных сечениях и по длине рельсового раската после прокатки. Поэтому за логом обеспечения прямолинейности рельса при его термической обработке является обеспечение равномерности охлаждения головки и подошвы, которое определяется температурным полем раската перед охлаждением (т.е. после прокатки), а также способом и параметрами подачи охлаждающей среды на за каливаемый рельс.

Исследованию новой технологии прокатки рельсов с применением уни версальных клетей посвящено ограниченное количество работ, большинство из которых относится к изучению закономерностей деформации металла и разра ботке методики расчета калибровок прокатных валков. До настоящего времени в литературе не опубликовано сведений о температурном и напряженном со стоянии металла при прокатке фасонных профилей, в т.ч. длинномерных рель сов, что имеет существенное значение для определения режимов термической обработки длинномерных рельсов.

В аналитическом обзоре показано, что в настоящее время наиболее эф фективным методом исследования технологии прокатки и термообработки рельсов является моделирование на ЭВМ с применением программного ком плекса DEFORM-3D и SolidWorks.

По результатам проведенного аналитического обзора сформулирована цель и определены задачи диссертационной работы:

разработать методику конечно-элементного моделирования темпера турных полей и напряженного состояния металла при прокатке рельсов на уни версальном рельсобалочном стане с использованием программного комплекса «DEFORM-3D»;

провести по разработанной методике компьютерные расчеты темпе ратурных режимов прокатки рельса Р65 с определением для каждого прохода температурных полей в поперечных сечениях раската и по длине полосы, уста новить закономерности изменения температуры по длине в каждом элементе рельсового профиля (головке, шейке и подошве);

с учетом полученных результатов моделирования обосновать выбор наиболее рационального способа термообработки (охлаждения) рельса, обеспе чивающего получение минимального отклонения от прямолинейности;

разработать упрощенный метод расчета температурных полей, позво ляющий получать информацию в реальном масштабе времени при оперативном решении задач управления технологическим процессом;

провести проверку результатов расчета температурных полей в усло виях действующего стана;

разработать мероприятия по совершенствованию способов охлажде ния рельсов при термообработке с целью повышения прямолинейности.

Во второй главе представлена методика и результаты моделирования температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длин номерных рельсов в программном комплексе «DEFORM-3D». Для моделирова ния был выбран универсальный рельсобалочный стан, включающий наиболее полный состав прокатного оборудования (рис. 1), и калибровка валков для про катки рельса Р65, разработанная кафедрой ОМД УрФУ (см. кн. «Калибровка прокатных валков»/В.К. Смирнов, В.А. Шилов, Ю.В. Инатович. М.:2010, с.

387).

Методика решения термонапряженной задачи при прокатке рельсов ме тодом конечных элементов с применением современных программных средств (DEFORM-3D) включает следующие основные этапы:

1. Построение твердотельных моделей всех калибров, валков и заготовки в программе SolidWorks.

2. Создание в библиотеке материала рельсовой стали, соответствующей требованиям физикомеханических свойств.

3. Задание исходных данных и граничных условий для численного ком пьютерного моделирования МКЭ в DEFORM-3D.

4. Проведение расчета в основном программном модуле DEFORM-3D*.

5. Отображение, обработка и анализ температурных полей в поперечных сечениях и по длине рельсового раската в каждом проходе.

Рис. 1. Схема расположения клетей и распределение проходов на универ сальном рельсобалочном стане: I - обжимная реверсивная клеть;

II - черновая реверсивная клеть;

III - непрерывно - реверсивная груп па клетей;

IV - универсальная калибрующая клеть. Стрелками с цифрами показано направление прокатки в проходах По разработанной методике проведено компьютерное моделирование прокатки рельса Р65. Полагали, что металл обладает свойствами жестко пластической среды, начальную температуру заготовки принимали равной 1200°С. Для создания новой базы материала сопротивление деформации рель совой стали рассчитывали по формуле, полученной В.К. Смирновым и А.Р.

Бондиным при диапазоне температур t=700-1300С. Условия контактного взаи модействия принимали по Кулону с коэффициентом трения 0,7. Коэффициент теплопередачи между объектами во время деформации k=5Н/сек/мм/°С, во вре мя перехода от одного калибра к другому k=1Н/сек/мм/°С. Угловые скорости вращения прокатных валков задавали в соответствии с расчетным скоростным режимом.

При моделировании условий входа раската в универсальный калибр ме тодом интерференции определяли контактные точки (чаще всего две или одну) рельсового раската (заготовки) относительно одного из прокатных валков.

Движение раската к валкам обеспечивает рольганг, который при решении зада чи заменен прямоугольным толкателем. Заведомо линейная скорость толкателя меньше скорости валков. Поэтому после захвата раската валками толкатель те ряет контактную поверхность с заготовкой с последующим удалением его на Разрешение на пробное использование лицензионного пакета программы Deform-3D предоставле но официальным представителем компании SFTC в России ООО «Артех» www.artech-eng.ru (ключ защиты SFTC #7791, срок лицензии: 21.03.2012-20.05.2012г).

определенном этапе моделирования. В результате моделирования прокатки рельсового раската применяли проводки, которые позволяют устранить изгиб полосы. Для нахождения напряженного состояния использовали метод объеди ненного градиента, при котором НДС многократно аппроскимируется для на хождения решения, меньше затрачивается времени, т.к. задача решения систе мы конечных элементов упрощается. А методом для нахождения температуры прямой метод разрежения, который обеспечивает обязательную точность и сходимость решения. Моделирование проводили на современном компьютере с процессором Intel Core номер i5-2320 и тактовой частотой 3.00 GHz, оператив ной памятью 8 ГБ и 64-разрядной операционной системой. Время моделирова ния одного прохода составляет примерно - 7 часов.

По результатам моделирования получены цветовые эпюры распределения температуры и интенсивности напряжений в поперечных сечениях рельсового раската для каждого прохода по переднему и заднему концу, а также по сере дине раската. На рис. 2 такие эпюры представлены для 5-го (разрезного) калиб ра и чистового 14-го прохода. Под каждой эпюрой приведены рассчитанные среднемассовые значения параметров. В прямоугольных рамках выделены средние значения параметров по элементам рельсового профиля: головке, шей ке и подошве. Числа на поле эпюр указывают средние значения параметров в отдельных цветовых областях. Полученные эпюры свидетельствуют о значи тельной неоднородности термонапряженного состояния металла, степень неод нородности которого увеличивается по ходу прокатки.

Полученные по эпюрам расчетные значения параметров позволили сде лать выводы о закономерностях изменения температуры и интенсивности на пряжений по длине и в поперечных сечениях раскатов, о степени неоднородно сти температурного поля.

Графики на рис. 3 характеризуют закономерность изменения температу ры по длине раската. Как видно, снижение температуры при прокатке в ревер сивных клетях дуо 1000 и 900 незначительно, а перепад температуры между передним и задним концом раската изменяется от 5-7°С до 15°С. Такую нерав номерность изменения температуры по длине раската при средней температуре металла 1100-1150°С можно считать незначительной и полагать, что при ревер сировании раската температура является практически постоянной по всей дли не полосы, что объясняется чередованием концов раската при задаче в валки.

После того, как чередование концов полосы при задаче в валки закончилось, перепад температуры по длине раската увеличивается до 25-30°С и становится почти одинаковым. Наибольший перепад температуры по длине достигается в Рис. 2. Температурные поля (а) и интенсивность напряжений (б) в попе речных сечениях раската из разрезного и чистового калибра Рис. 3. Изменения средней температуры рельсового раската в процессе прокатки рельса Р65 на универсальном рельсобалочном стане: 1 – передний конец раската;

2 – задний конец раската;

3 – перепад температуры по длине раската последнем, калибрующем проходе (до 64°С), что объясняется удалением ка либрующей клети от группы тандем на расстояние, большее длины раската. Это потребует соответствующего режима охлаждения чистового раската при тер мообработке с целью получения одинаковых механических свойств по длине рельса. Поэтому с точки зрения температурного режима прокатки рельсов при менение отдельно стоящей калибрующей клети УК3 является нецелесообраз ным.

Распределение температуры в поперечных сечениях раската характеризу ется весьма существенной неравномерностью, которую оценивали по разнице температуры в отдельных точках каждого сечения tmax=tmax- tmin (где tmax - и tmin - максимальная и минимальная температура в точках одного сечения). Указан ная величина tmax увеличивается по ходу прокатки от 60-65° в разрезном ка либре до 158°С в чистовом, калибрующем проходе (рис. 4).

Изменение по проходам температурного поля элементов профиля в попе речных сечениях передней, средней и задней частях раската носит одинаковый характер и различается только количественными показателями (рис. 5).

Наиболее низкую температуру, как правило, имеет шейка профиля, при чем наиболее интенсивное охлаждение ее наблюдается при прокатке в непре рывно-ревесивной группе тандем (клети УК1-УК2) и особенно в калибрующей клети УК3К. Неравномерность температурного поля элементов рельсового профиля t увеличивается по ходу прокатки от 5-7°С в клети дуо 900 до 35°С на переднем конце и до 45-60°С на заднем конце раската.

Рис. 4. Общая оценка неравномерности температурного поля поперечного сечения раскатов Сравнивая температурные поля элементов профиля в клетях УК2 и УК3К, можно сделать вывод, что прокатка без калибрующей клети может по высить равномерность распределения температуры элементов чистового про филя примерно до 20°С, что имеет важное значение для последующего охлаж дения (термообработки) готового раската с целью получения равномерных по длине механических свойств и повышения прямолинейности рельса.

С учетом неоднородности температурных полей рассчитано распределе ние интенсивности напряжений элементов рельсового раската в поперечных сечениях раската (рис. 6). Интенсивность напряжений достигает наибольших значений в универсальных клетях, где имеют место наибольшие деформации по шейке и фланцам, причем напряжение заднего конца раската всегда выше пе реднего. Во вспомогательных клетях интенсивность напряжений, как правило, мала, поскольку там обжимаются только фланцы по высоте. Наибольшие на пряжения, как правило, испытывает шейка профиля, а наименьшие – головка.

Неравномерность интенсивности напряжений характеризуется разностью напряжений шейки ш и головки г : = ш г, или шейки ш и подошвы п : = ш п. Неоднородность температурных полей и соответствующая неравномерность распределения интенсивности напряжений по элементам рас ката создает возможность продольного изгиба и скручивания раската вокруг его продольной оси, т.е. отклонения от прямолинейности рельса. Для снижения указанных отклонений от прямолинейности рельсов целесообразно применять дифференцированное охлаждение раската водо-воздушным или воздушно капельным способом с подачей охлаждающей среды в количестве, соответст вующем температуре каждого элемента профиля.

а б в Рис. 5. Изменение средней температуры элементов рельсового профиля в поперечных сечениях передней (а), средней (б) и задней (в) час тях раската а б в Рис. 6. Изменение интенсивности напряжений в элементах рельсового профиля в процессе прокатки передней (а), средней (б) и задней (в) частях раската По результатам исследования разработана математическая модель темпе ратурного состояния чистового раската, позволяющая рассчитывать температу ру любого элемента профиля рельса по длине раската с целью управления ре жимами термообработки длинномерного рельса. На рис. 7 представлено изме нение температуры каждого элемента рельса по длине раската (от начала =0, середины =51м и до конца =102м). Для получения обобщенной формулы ука занные данные привели к безразмерному виду в координатах:

, где - приведенная температура раската (по переднему концу ;

по средней части и по заднему концу );

– переменная, обозначающая головку, шейку и подошву профиля;

- приведенная длина раската, ;

и - текущая и конеч ная длина раската, м.

Аппроксимируя полученные исходные данные квадратным многочле ном, получили следующие уравнения для распределения температуры каждого элемента рельса по длине чистового раската перед термообработкой:

- для головки - для шейки (1) - для подошвы Рис. 7. Изменение средней температуры элементов профиля по длине чистового раската (по результатам расчетов МКЭ) Моделирование процессов прокатки в программном комплексе DEFORM 3D требует больших затрат машинного времени: даже при подготовленных ис ходных данных расчета по определению термонапряженного состояния металла при прокатке одного профиля на рельсобалочном стане требуют более 100 ча сов машинного времени. Это исключает возможность применения комплекса DEFORM-3D для оперативных расчетов и использования в системах автомати зированного управления технологическими процессами.

В третьей главе разработан аналитический (инженерный) метод расчета температурных полей при прокатке рельсов, позволяющий приближенно ре шать температурные задачи при значительно меньших затратах времени по сравнению с моделированием в системе «DEFORM-3D». Для этого известную формулу А.И. Целикова, учитывающую потери тепла за счет лучеиспускания и разогрев металла от деформации, адаптировали применительно к условиям прокатки фасонных профилей, имеющих несколько элементов ( =1,2,3...n). По лучили следующие выражения для определения снижения температуры за один проход по каждому элементу профиля:

t i = t oi + 273, (2) 0,0255 П i i + t + t + i 0i дi где t0i - температура элемента раската перед входом в рассматриваемый калибр, С;

Пi и i - периметр и площадь поперечного сечения элемента раската после прохода, мм, мм2;

i- время охлаждения раската при перемещении от рассмат риваемого калибра к следующему калибру, с;

tдi- повышение температуры элемента раската в рассматриваемом калибре, 0С.

tдi=0,183ln, (3) где - сопротивление металла пластической деформации, МПа;

- коэффици ент вытяжки элемента профиля. Для расчета сопротивления деформации рель совой стали по элементам профиля использовали формулу В.К. Смирнова - А.Р.

Бондина. С учетом рассчитанного по формуле (2) снижения температуры определяют среднюю температуру каждого элемента профиля после прохода по формуле:

t1i = t oi ti (4) Применение предложенной методики расчета температурных полей ос новано на допущениях:

каждый элемент фасонного профиля деформируется и охлаждается как отдельное тело;

расчетная температура каждого элемента является постоянной (сред ней) по сечению.

Эти допущения в какой-то мере снижают точность определения темпе ратуры металла в элементах профиля рельса, но не влияют на качественные за кономерности изменения температурных полей в процессе прокатки, что под тверждено экспериментально.

Расчеты проводят для каждого прохода в следующем порядке:

1. Разделяют поперечное сечение (профиль) раската на отдельные эле менты (фланцы, головка, шейка и т.п.).

2. Для каждого элемента профиля рассчитывают: геометрические пара метры деформации П,, ;

сопротивление металла деформации ;

разогрев металла за счет пластической деформации tд;

затраты времени на перемеще ние поперечного сечения от предыдущего калибра к рассматриваемому ;

сни жение температуры при прокатке выделенного элемента профиля ti;

темпера туру элемента профиля после прокатки t1i = t oi ti.

3. По результатам расчетов строят эпюру распределения температуры в поперечном сечении профиля.

По составленному алгоритму разработана программа расчета темпера турных полей при прокатке рельсов в программе MathCad. При подготовленной исходной информации время расчета по разработанной программе составляет не более 1 мин.

Выполнена проверка достоверности разработанного аналитического ме тода в условиях действующего рельсобалочного стана 800 ОАО «НТМК» с оценкой сходимости расчетных и опытных (производственных) данных по тем пературным режимам прокатки. Получены эпюры распределения температуры по элементам в поперечных сечениях раската в каждом проходе (рис. 8) и кри вая изменения средней температуры по длине раската (рис. 9). Сравнение рас четных и опытных данных (табл. 1) свидетельствует о достаточной для практи ки точности предложенного инженерного метода расчета температуры.

Рис. 8. Температурные поля в поперечных сечениях рельсового раската из калибров 7- Рис. 9. Изменения температуры рельсового раската в процессе прокатки рель са Р65 на линейном рельсобалочном стане 800: 1 – передний конец рас ката;

2 – задний конец раската;

3 – перепад температуры по длине рас ката. Точками показаны результаты экспериментальных измерений температуры в отдельных участках стана Таблица Сравнение расчетных и опытных данных по температуре рельсового раската на стане 800.

Номер прохода 1 7 8 11 13 Средняя расчетная 1110 1106 1079 1020 980 температура, °C Опытная температу 1112 1110 1070 1040 1000 ра, °C Расхождения tср,, °C 2 4 9 20 20 Для определения степени адекватности разработанного аналитического метода и методики моделирования температурных полей в системе DEFORM 3D, проведен расчет температурных режимов прокатки длинномерного рельса Р65 на универсальном рельсобалочном стане при тех же условиях, что и при расчетах в системе DEFORM-3D (см. выше).

На рис. 10 приведен расчетный график изменения температуры раската по клетям стана. Сделаны следующие выводы:

закономерность изменения температуры раската по клетям стана при расчете по обоим методам имеет одинаковый характер;

конечная температура прокатки в обоих случаях расчета получается достаточно близкой: 949-1013С – при моделировании в DEFORM-3D и 954 1015С – при расчете аналитическим методом;

перепад температуры по длине полосы в обоих случаях увеличивает ся по ходу прокатки от 1-7С в первых проходах до 50-64С в последних про ходах.

Установлено, что расчетные температуры по двум рассматриваемым ме тодам (табл. 2) различаются на 1-30С в зависимости от номера прохода, при чем аналитический метод дает, как правило, завышенные значения температу ры: в среднем на 9С по переднему концу и на 10С по заднему концу раската.

Указанные расхождения (погрешности определения) температуры являются приемлемыми для прокатки.

Таким образом, инженерный метод позволяет определять основные зако номерности распределения температуры по длине и поперечным сечениям рас ката, совпадающие с достаточной точностью с результатами моделирования в программном комплексе «DEFORM-3D».

Рис. 10. Изменения температуры рельсового раската в процессе прокатки на универсальном рельсобалочном стане (результаты расчета анали тическим методом): 1 – передний конец раската;

2 – задний конец раската;

3 – перепад температуры по длине раската Таблица Сравнение температуры раската при расчете аналитическим методом и методом конечных элементов в Deform-3D Неравномерность, Передний конец Задний конец перепад по длине t=tп-tз № № Про- Расхож- Расхож Клети Аналити- Аналити- Аналити дения дения хода DEFORM-3D ческий DEFORM-3D ческий DEFORM-3D ческий t t метод метод метод °C °C Дуо I 1 1196 1197 1 1196 1196 5 1 2 1196 1197 1 1195 1190 5 1 3 1193 1192 1 1189 1191 2 4 4 1187 1186 1 1180 1184 4 7 Дуо II 5 1182 1182 0 1164 1174 10 18 6 1163 1170 7 1156 1165 9 7 7 1150 1160 10 1130 1143 13 20 УК1 8 1111 1136 25 1100 1130 30 11 ВК 9 1108 1127 19 1077 1100 23 31 УК1 10 1076 1085 9 1068 1082 14 8 11 1056 1073 17 1028 1035 7 28 ВК 12 1048 1067 19 1027 1033 6 21 УК2 13 1046 1060 14 1017 1025 8 29 УК3К 14 1013 1015 2 949 954 5 64 В четвертой главе изложены рекомендации по использованию результа тов исследований.

Выбран способ и устройство для дифференцированной термообработки длинномерных рельсов с прокатного нагрева. На разработанное техническое решение подана заявка на изобретение со следующей формулой: Способ тер мической обработки рельсов с прокатного нагрева, включающий загрузку рель са в охлаждающее устройство, фиксацию его головкой вниз или вверх и диф ференцированное охлаждение элементов рельсового профиля, отличающийся тем, что перед охлаждением концы рельса закрепляют от поперечного пере мещения в клещевых зажимах и растягивают рельс в продольном направлении с напряжениями, составляющими 0,7-0,9 предела текучести рельсовой стали при температуре конца прокатки. Предложенное техническое решение позволя ет повысить прямолинейность горячекатаных рельсов за счет выравнивания на пряжений в поперечных сечениях чистового раската.

Рассмотренное техническое решение может быть использовано в любом способе дифференцированной закалки рельсов.

Высказаны рекомендации по рациональному использованию разработан ных методов расчетов в инженерной практике и учебном процессе студентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполненной диссертационной работы достигнута постав ленная цель и получены следующие результаты:

1. Разработана методика численного моделирования температурных по лей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов в программном комплексе «DEFORM-3D». По разработанной методике получены эпюры распределения температуры и интенсивности напряжений в поперечных сечениях по длине раската в каждом проходе при прокатке рельса Р65 на со временном рельсобалочном стане, включающем непрерывно-реверсивную группу тандем универсальных клетей и отдельно стоящую чистовую калиб рующую универсальную клеть.

2. Определены закономерности изменения температуры металла по дли не раската: реверсивная прокатка в черновых клетях способствует относитель ному выравниванию температуры по длине за счет чередования концов полосы по задаче в валки;

при непрерывной прокатке в группе тандем происходит уве личение температурного перепада между передним и задним концом раската до 40С, а на чистовом раскате (за калибрующей клетью) наблюдается интенсив ный рост неравномерности температуры по длине до 64С, что способствует ухудшению прямолинейности рельса и снижению равномерности механиче ских свойств.

3. Установлено, что температурные поля в поперечных сечениях раската характеризуются весьма существенной неравномерностью, которая зависит от формы калибра. В среднем по сечению наиболее низкую температуру имеет шейка рельсового профиля, а наиболее высокую температуру – головка. Разни ца температур головки и шейки в поперечных сечениях передней, средней и задней частях раската увеличивается по ходу прокатки от 5-7С в черновой кле ти дуо до максимальной 45-60С в калибрующей клети. Это приводит к ис кривлению рельса относительно его продольной оси.

4. Показано, что применение на рельсобалочном стане отдельно стоящей калибрующей клети, удаленной от группы тандем на расстоянии более длины предчистового раската, является нецелесообразным, так как приводит к увели чению неравномерности температуры по длине и поперечному сечению раската и способствует снижению прямолинейности рельса.

5. Установлено, что напряженное состояние металла в процессе прокат ки характеризуется значительной неравномерностью, как по длине, так и по по перечным сечениям рельсового раската. Под действием указанной неравномер ности напряжений создается возможность продольного изгиба и скручивания раската вокруг его продольной оси, что приводит к отклонению рельса от пря молинейности при термообработке.

6. Разработана математическая модель температурного состояния чисто вого рельсового раската перед термообработкой, позволяющая оперативно рас считывать температуру любого элемента рельса по длине раската с целью управления режимом термообработки длинномерного рельса.

7. Разработан упрощенный аналитический метод расчета температурных полей при прокатке рельсов, позволяющий оперативно (в масштабе реального времени) достоверно определить основные закономерности распределения температуры по длине и поперечным сечениям рельсового раската на линейных и универсальных рельсобалочных станах.

8. Проведена экспериментальная проверка результатов расчета по разра ботанным методам в условиях действующего рельсобалочного стана. Показано, что моделирование в программном комплексе «DEFORM-3D» и аналитический метод позволяют рассчитывать температурные поля с достаточной для практи ки точностью.

9. Разработаны научно обоснованные рекомендации по выбору способа и устройства для термообработки длинномерных рельсов в условиях современ ного универсального рельсобалочного стана.

10. Предложено на уровне изобретений техническое решение по совер шенствованию способов охлаждения чистового рельсового раската при термо обработке с целью повышения прямолинейности закаленных длинномерных рельсов.

11. Материалы диссертационной работы были использованы при разра ботке проекта реконструкции прокатного цеха №3 с установкой универсально го рельсобалочного стана ОАО «ЧМК».

Таким образом, в диссертации решена актуальная научно-техническая задача определения температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных железнодорожных рельсов, что имеет существен ное значение для повышения их качества и развития рельсопрокатного произ водства.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и из даниях, определенных ВАК:

1. Зяблицева (Скосарь) Е.О., Литвинов Р.А., Шилов В.А. Моделирование температурных полей при прокатке рельсов // Известия вузов. Черная метал лургия. 2011. № 5. С. 51-53.

2. Скосарь Е.О., Шилов В.А., Шварц Д.Л. Исследование температурных условий прокатки длинномерных рельсов на универсальном рельсобалочном стане // Производство проката. 2012. №11. С. 7-11.

3. Скосарь Е.О., Шилов В.А. Температурное и напряженно деформированное состояние металла при прокатке рельсов // Изв. вузов. Черная металлургия. 2012. №11. С. 63-64.

В сборниках трудов научных конференций:

4. Зяблицева (Скосарь) Е.О., Литвинов Р.А., Шилов В.А. Моделирование температурных полей при прокатке рельсов // Современные металлические ма териалы и технологии (СММТ’11). Труды международной научно-технической конференции. СПБ: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2011. С 30-32.

5. Скосарь Е.О., Шилов В.А. Моделирование температурных условий прокатки длинномерных рельсов на универсальном рельсобалочном стане // Материалы 6-й международной молодежной научно-практической конферен ции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина». Екатерин бург, 2012. С. 645-649.

6. Зяблицева (Скосарь) Е.О., Литвинов Р.А., Шилов В.А. Моделирование температурных полей при прокатке рельсов // Сайт компании ООО «Инжини ринговая компания АРТЕХ». http://www.artech-eng.ru.

7. Скосарь Е.О., Шилов В.А. Исследование температурных условий про катки длинномерных рельсов на универсальном рельсобалочном стане // Сайт компании ООО «Инжиниринговая компания АРТЕХ». http://www.artech-eng.ru.

Подписано в печать 22.02.13. Формат 60х84 1/16 Бумага писчая Плоская печать Тираж 100 экз. Заказ № Ризография НИЧ УрФУ, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира,

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.