Разработка, исследование и внедрение технологии и оборудования литейно-прокатного комплекса для производства широкополочных балок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, доктор технических наук Комратов, Юрий Сергеевич

• Комратов, Юрий Сергеевич
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Комратов, Юрий Сергеевич

Введение.

Глава 1. Технология и оборудование литейно-прокатных комплексов для производства широкополочных балок.

1.1. Технология производства широкополочных балок.

1.2. Литейно-прокатный комплекс для производства широкополочных балок НТМК.

1.3. Технология производства широкополочных балок из непрерыв-нолитой заготовки.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. Напряженно-деформированное состояние двутавровой заготовки при ее формировании в процессе непрерывного литья.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Методика расчета методом конечных элементов в объемной постановке напряженно-деформированного состояния профильной заготовки на участках между торцом кристаллизатора и роликами зоны вторичного охлаждения.

2.2.1. Общий алгоритм решения объемной задачи теории упругости методом конечных элементов.

2.2.2. Теория решения краевых задач теории упругости методом конечных элементов в объемной постановке.

2.3. Расчет напряженно-деформированного состояния профильной заготовки на участках между торцом кристаллизатора и роликами от воздействия только ферростатического давления.

2.3.1. Исходные данные и принятые допущения.

2.3.2. Расчетная схема и граничные условия.

2.3.3. Результаты расчета и их анализ.

2.4. Расчет напряженно-деформированного состояния профильной заготовки на участках между торцом кристаллизатора и роликами от воздействия ферростатического давления и отклонений настройки роликов и кристаллизатора.

2.4.1. Варианты расчета.

2.4.2. Расчетная схема и граничные условия.

2.4.3. Результаты расчета и их анализ.

Выводы.

Глава 3. Напряженно-деформированное состояние двутавровой заготовки в зоне криволинейного участка правки MHJI3.

3.1. Общая постановка задачи.

3.2. Расчет напряженно-деформированного состояния профильной заготовки в зоне криволинейного участка правки.

3.2.1. Исходные данные и принятые допущения.

3.2.2. Варианты и методика расчета.

3.2.3. Результаты расчета и их анализ.

Выводы.

Глава 4. Напряженно-деформированное состояние металла в очагах деформации и напряжения в валках при прокатке широкополочной балки в клетях универсально-балочного стана.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Исходные данные расчета и система допущений.

4.3. Расчетная схема и граничные условия.

4.4. Результаты расчета и их анализ.

4.4.1. Нормальные и касательные напряжения в очагах деформации балки с вертикальными и горизонтальными валками.

4.4.2. Течение металла и распределение напряжений в очагах деформации при прокатке широкополочной балки в универсальной клети.

4.5. Напряжения в вертикальных и горизонтальных валках универсальной клети от усилия прокатки.

Выводы.

Глава 5. Теоретическое исследование напряжений в горизонтальных и вертикальных валках универсальных клетей с учетом температурных и остаточных напряжений.

5.1. Общая постановка задачи.

5.2. Теория расчета нестационарных температурных полей и термоупругих напряжений в валках методом конечных элементов в объемной постановке.

5.3. Теплофизические параметры материала валков.

5.4. Выбор системы коэффициентов для решения задачи о тепловой нагруженности валков.

5.5. Результаты расчета тепловых полей и температурных напряжений, возникающих в валках в условиях их циклического температурного нагружения при прокатке.

5.5.1. Расчет тепловых полей.

5.5.2. Расчет температурных напряжений.

5.6. Суммарное поле напряжений в валках.

5.6.1. Суммарное поле напряжений в горизонтальном валке от усилия прокатки и циклического температурного воздействия с учетом остаточных напряжений.

5.6.2. Суммарное поле напряжений в вертикальном валке от усилия прокатки и температурных напряжений.

Выводы.

Глава 6. Теоретическое исследование напряженного состояния при изготовлении многослойных валков универсальной клети.

6.1. Постановка задачи.

6.2. Методика решения нестационарной задачи теплопроводности, термоупругости и упругости методом конечных элементов.

6.2.1. Теория решения нестационарной задачи теплопроводности и термоупругости методом конечных элементов в объемной постановке.

6.2.2. Теория решения краевых задач теории упругости методом конечных элементов в объемной постановке.

6.2.3. Конструктивные параметры и технология изготовления двухслойного бандажа.

6.3. Расчет температурного поля и напряженно-деформированного состояния двухслойного бандажа.

6.3.1. Методика расчета температурного поля и термонапряженно-деформированного состояния двухслойного бандажа.

6.3.2. Методика расчета усадки, величины обратного натяга и напряжений.

6.3.3. Система допущений и теплотехнические и механические характеристики материалов бандажа.

6.3.4. Расчетная модель и граничные условия решения задачи.

6.4. Результаты расчета температурного поля, усадки и напряжений двухслойного бандажа.

6.4.1. Температурное поле двухслойного бандажа и термические напряжения.

6.4.2. Усадка слоев двухслойного бандажа и расчет обратного натяга.

6.4.3. Напряженное состояние двухслойного бандажа.

Выводы:.

Глава 7. Теоретическое исследование износа торцевой поверхности горизонтальных валков ГУК УБС.

7.1. Постановка задачи исследования.

7.2. Математическое моделирование процесса износа.

7.3. Численная реализация математической модели процесса износа.254 Выводы.

Глава 8. Совершенствование технологии и оборудования литейно-прокат-ного комплекса для производства широкополочных балок НТМК.

8.1. Создание производства широкополочных балок из новой стали повышенной прочности и хладостойкости.

8.2. Повышение стойкости бандажированных валков рабочих клетей УБС.

8.2.1. Конструктивные параметры валков универсальной клети.

8.2.2. Механизм износа и оценка стойкости прокатных валков.

8.2.3. Оценка напряженного состояния бандажированного валка.

8.2.4. Исследование стойкости отечественных составных валков.

8.3. Повышение качества строительного проката.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка, исследование и внедрение технологии и оборудования литейно-прокатного комплекса для производства широкополочных балок»

Создание и внедрение ресурсосберегающих технологических процессов и уникального оборудования и коренное улучшение качества металлопродукции на заводах черной металлургии является приоритетным направлением, что определяется рядом важных обстоятельств;

- в настоящее время оборудование многих металлургических заводов является морально устаревшим и физически изношенным, что сопровождается снижением качества металлопродукции, падением объема производства, большим расходом электроэнергии, топлива и металла и ухудшением экологической обстановки;

- реконструкция действующего и создание нового металлургического оборудования будет происходить в жестких условиях рыночной экономики, что связано со следующим:

- увеличение стоимости энергоносителей;

- повышение требований к качеству металлопродукции;

- необходимость создания экологически чистых технологических процессов.

На основании вышеизложенного можно сформулировать основные направления развития прокатного производства на современном этапе:

-создание уникального оборудования для литейно-прокатных комплексов;

- внедрение ресурсосберегающих и малоотходных технологических процессов;

- широкое применение непрерывнолитой заготовки с размерами, близкими к готовым металлоизделиям;

- повышение стойкости прокатных валков;

- коренное улучшение качества проката.

Изложенные выше направления дальнейшего развития и совершенствования металлургического производства отражают отечественный и зарубежный опыт, заключающийся в преимущественном развитии процессов и установок непрерывного литья и создание на этой базе современных ли-тейно-прокатных комплексов. Причем широкое внедрение ресурсосберегающих технологических процессов возможно лишь на основе создания уникальных машин непрерывного литья для получения заготовок, близких по форме и размерам к готовым металлоизделиям.

В связи с этим разработанная стратегия реконструкции и развития Нижне-Тагильского металлургического комбината [4,9], предусматривала широкое внедрение процессов непрерывной разливки стали и коренное улучшение качества проката. Переход к ресурсосберегающим технологиям и улучшение качества особенно важно для металлоизделий массового производства, в частности двутавровых, которые находят широкое применение в машиностроении и строительстве. Дальнейшее повышение технико-экономических показателей производства двутавровых профилей возможно лишь в результате использования непрерывнолитой заготовки, которая позволяет значительно увеличить выход годного, существенно снизить энергетические затраты и повысить качество проката.

Перспективным направлением в создании литейно-прокатных комплексов для производства двутавровых профилей является создание машин непрерывного литья фасонных заготовок, имеющих двутавровую форму поперечного сечения. Благодаря применению непрерывнолитых двутавровых заготовок уменьшается число пропусков в обжимной клети универсально-балочного стана, что приводит к существенному снижению энергетических затрат и повышению производительности [1].

Непрерывное литье фасонных заготовок экономит время, труд, энергию и снижает потери металла по сравнению с традиционной практикой отливки слитков с последующим нагревом и прокаткой до получения исходной заготовки. Непрерывное литье не только эффективно, оно улучшает общее качество стали за счет более однородного химического состава и структуры полученных непрерывным литьем заготовок [2].

Однако, как показал зарубежный опыт, эксплуатация машнн непрерывного лнтья двутавровых заготовок, несмотря на известные преимущества, имеет ряд существенных недостатков: из-за сложности профиля фасонных заготовок, разнотолщинности и затрудненности усадки по сечению слитка возникают слабые места в каркасе профиля и концентрация напряжений, что приводит к образованию трещин и снижению качества широкополочных балок; для литья широкого сортамента фасонных заготовок требуется большое количество сменного комплекта оборудования, что повышает удельную металлоемкость и себестоимость металлопродукции.

Кроме того, для повышения конкурентоспособности широкополочных балок на внутреннем и внешнем рынке необходимо комплексное решение проблемы качества на всех переделах металлургического производства. Решение проблемы качества при массовом производстве двутавровых профилей предполагает, в первую очередь, повышение химической и структурной однородности металла, снижение содержания вредных примесей, повышение точности размеров и улучшение качества поверхности [3,4]. Таким образом, необходимость проведения исследований по совершенствованию процесса непрерывного литья двутавровых заготовок связана с все возрастающими требованиями к качеству проката и созданием литейно-прокатного комплекса для производства широкого сортамента фасонных профилей.

Для оценки нового процесса непрерывного литья двутавровых заготовок очень важно провести теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния оболочки слитка сложного поперечного сечения при его формировании в зоне вторичного охлаждения машины непрерывного литья (MHJ13), а также определить характер и уровень напряжений по сечению двутавровой заготовки при ее правке в специальном роликовом устройстве.

Знание уровня и характера распределения деформации и напряжений по периметру оболочки двутаврового слитка с жидкой фазой позволит дать практические рекомендации по настройке секций роликов зоны вторичного охлаждения с целью снижения уровня, главным образом, растягивающих напряжений.

Исследование напряженно-деформированного состояния двутавровой заготовки при ее правке позволит оценить изменения кривизны заготовки по мере прохождения через зоны правки, а также уровень растягивающих и остаточных напряжений и влияние на них температуры двутавровой заготовки.

Основной проблемой, возникающей при прокатке непрерывнолитых заготовок, является обеспечение благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации, получение высоких механических свойств проката и однородной структуры металла и уменьшение поверхностных и внутренних дефектов. В связи с этим важно определить напряженно-деформированное состояние непрерывнолитого металла в очаге деформации при прокатке в клетях универсально-балочного стана, что позволит оценить течение металла, степень проработки литой структуры металла и возможность раскрытия поверхностных трещин, т. е. прогнозировать качество широкополочных балок. При этом также целесообразно определить напряженно-деформированное состояние вертикальных и горизонтальных валков универсальных клетей УБС при прокатке двутавровых заготовок. Это позволит более обоснованно выбирать толщины внутреннего и рабочего слоев двухслойного бандажа прокатного валка с целью повышения его стойкости [4].

Переход к ресурсосберегающим и безотходным технологиям, в частности, при использовании непрерывнолитой заготовки, особенно важен для массового производства фасонных профилей. В связи с этим весьма актуально освоение на универсально-балочном стане новых видов проката, обладающих повышенной конкурентоспособностью. Для этого необходимо разработать ряд новых технологий, позволяющих повысить эффективность литейно-прокатного комплекса для производства широкополочных балок.

Цель работы

Разработка научных основ создания литейно-прокатного комплекса для производства широкополочных балок и алгоритмов расчета процессов непрерывного литья, правки, прокатки в универсальной клети УБС и изготовления многослойных валков и внедрение новых технологий, обеспечивающих выпуск конкурентоспособной продукции.

Научная новизна разработана математическая модель нестационарного процесса формирования двутавровой заготовки в процессе непрерывного литья с учетом температуры и реологических свойств материала оболочки слитка и ферро-статического давления. Использование модели позволяет определять уровень и характер распределения напряжений и деформаций по периметру оболочки двутаврового слитка и влияния на них конструктивных параметров и отклонений настройки роликов и кристаллизатора от технологической оси непрерывного литья;

-разработана математическая модель процесса деформации двутавровой заготовки в зоне криволинейного участка правки с учетом температуры и реологических свойств металла, скорости литья и конструктивных параметров и расположения роликов на участке правки. Модель позволяет определить напряженно-деформированное состояние металла двутавровой заготовки по мере ее прохождения через участок правки, остаточные напряжения, деформации и кривизну заготовки;

-разработана математическая модель процесса прокатки двутавровой заготовки в клетях универсально-балочного стана и решена задача одновременного определения напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и напряжений в вертикальных и горизонтальных валках. Модель позволяет определить величину и характер распределения нормальных и касательных напряжений по дугам захвата и ширине очага деформации с горизонтальными и вертикальными валками, распределение разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка в зоне их контакта, длины очагов деформации с учетом сложной геометрии балки и жесткости валков, оценить характер течения металла в очагах деформации, а также определить уровень и характер распределения тангенциальных и радиальных напряжений, возникающих в горизонтальных и вертикальных валках от усилия прокатки; разработан алгоритм расчета температурных полей и термоупругих напряжений в горизонтальных и вертикальных валках универсальной клети с учетом времени контакта валка с металлом, температуры двутавровой заготовки и расхода охлаждающей воды. Алгоритм позволяет определить распределение температуры на катающей поверхности валка и уровень и характер распределения тангенциальных напряжений в горизонтальных и вертикальных валках;

-предложена методика определения суммарного поля напряжений в валках универсальной клети с учетом температурных напряжений и напряжений от усилия прокатки, а также остаточных напряжений, возникающих при изготовлении бандажированного валка и даны рекомендации по уровню сжимающих тангенциальных напряжений в поверхностном слое горизонтального валка с целью повышения его стойкости; разработана математическая модель нестационарного процесса, происходящего при послойной заливке металлом и затвердевании бандажей рабочих валков универсально-балочного стана, выполненных из различных между слоями сталей. Использование модели позволяет определять поля температур, находить распределение термоупругих и остаточных напряжений, выбирать толщины слоев бандажа и на этой основе создавать сжимающие тангенциальные остаточные напряжения по всему радиусу наружного слоя бандажа, что является наиболее благоприятным для получения высокой стойкости рабочих валков;

-разработана математическая модель процесса износа торцевой поверхности горизонтальных валков универсальных клетей УБС. Модель позволяет определить величину и характер распределения разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка и удельной работы сил трения в зоне их контакта при прокатке двутавровой заготовки в универсальных клетях УБС и оценить износ торцевой поверхности горизонтальных валков.

Практическая ценность

Теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие практические результаты:

- определить основные направления создания и повышения эффективности литейно-прокатного комплекса для производства широкополочных балок;

-разработать рекомендации по рациональным значениям допусков на настройку технологической оси непрерывного литья и роликовых секций зоны вторичного охлаждения с целью снижения уровня растягивающих деформаций и напряжений в двутавровой заготовке;

- определить уровень и характер распределения напряжений и кривизну двутавровой заготовки по мере ее прохождения участка правки и оценить влияние на них схемы расположения роликов криволинейного участка правки;

- оценить схему напряженного состояния в очагах деформации двутавровой заготовки в горизонтальных и вертикальных валках универсальной клети и на базе этого прогнозировать качество широкополочных балок из не-прерывнолитого металла;

- определить зависимость касательных напряжений от разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка в зоне контакта и температуры металла, что позволило оценить интенсивность износа торцевой поверхности горизонтального валка универсальной клети и, соответственно, качество широкополочных балок;

- определить уровень и характер распределения тангенциальных напряжений в горизонтальных и вертикальных валках при прокатке двутавровых заготовок в зависимости от параметров процесса прокатки, температуры металла и расхода охлаждающей воды, что позволило дать рекомендации по выбору рациональной системы охлаждения валков универсальной клети;

-получить зависимость величины сжимающих остаточных напряжений, возникающих при изготовлении двуслойного бандажа, от соотношения толщин слоев бандажа; с учетом фактических напряжений, возникающих в поверхностном слое горизонтальных валков при прокатке двутавровых заготовок, дать рекомендации по величине необходимых сжимающих остаточных напряжений и соотношению толщин слоев бандажа при изготовлении бандажированных валков с целью повышения их стойкости;

- найти рациональные конструктивные параметры двухслойных бандажей горизонтальных валков универсальных клетей и разработать технологию их изготовления, позволяющую получать валки повышенной стойкости; разработать технологию получения на универсально-балочном стане горячекатных широкополочных двутавровых балок для конструкций «северного» исполнения из новой стали;

- определить уровень напряжений в очаге деформации и в валках универсальных клетей при низкотемпературной прокатке широкополочных балок, которая позволяет улучшить их качество.

Реализация результатов работы

Результаты работы по созданию и повышению эффективности литейно-прокатного комплекса для производства широкополочных балок внедрены на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате.

Разработанная технология изготовления составных прокатных валков внедрена на Уфалейском заводе металлургического машиностроения.

Результаты работы используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании в Уральском государственном техническом университете.

Работа по созданию и внедрению оборудования и технологических процессов производства составных валков удостоена Государственной премии СССР 1991 г.

Работа по созданию стального проката повышенной прочности и хла-достойкости для строительной индустрии, машиностроения и транспорта удостоена Государственной премии РФ 1997 г.

Апробация работы

Материалы работы излагались и обсуждались на второй международной конференции регионального Уральского отделения Академии инженерных наук РФ (Екатеринбург, 2000), на четвертом Международном конгрессе прокатчиков (Магнитогорск, 2002), на Урало-Сибирской научно-практической конференции (Екатеринбург, 2003), на третьей международной конференции регионального Уральского отделения Академии инженерных наук РФ (Екатеринбург, 2004), а также на ряде семинаров и совещаний специалистов черной металлургии и тяжелого машиностроения, на семинаре но теории механизмов и машин УРО РАН (Екатеринбург, 2004).

На защиту вынесены следующие основные положения: математические модели нестационарных процессов формирования и правки двутавровой заготовки в процессе непрерывного литья, постановка задач и результаты определения напряженно-деформированного состояния металла двутавровой заготовки;

-математическая модель процесса прокатки двутавровой заготовки в клетях универсально-балочного стана, постановка задач и результаты одновременного определения напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и напряжений в горизонтальных и вертикальных валках универсальной клети;

- постановка задач и результаты расчета температурных полей и термоупругих напряжений в горизонтальных и вертикальных валках универсальных клетей;

-математическая модель настационарного процесса изготовления многослойных бандажей прокатных валков, постановка и результаты решения задач, определения температурных полей, термоупругих и остаточных напряжений в слоях бандажа; математическая модель процесса износа торцевой поверхности горизонтальных валков универсальных клетей УБС, постановка и результаты решения задачи определения разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка и удельной работы сил трения в зоне их контакта при прокатке двутавровой заготовки в универсальных клетях УБС;

- основные направления создания и повышения эффективности литей-но-прокатного комплекса для производства широкополочных балок и результаты экспериментального исследования.

В 1-й главе дана характеристика и состав оборудования литейно-прокатного комплекса НТМК для производства широкополочных балок, приведены калибровки валков и схемы прокатки непрерывнолитой заготовки в клетях универсально-балочного стана и изложена постановка задач.

Во 2-й главе дана постановка задачи, приведена математическая модель нестационарного процесса формирования двутавровой заготовки в процессе непрерывного литья, изложена методика решения задачи методом конечных элементов и приведены результаты расчета напряженно-деформированного состояния металла двутавровой заготовки.

В 3-й главе изложена постановка задачи, описана математическая модель нестационарного процесса правки двутавровой заготовки в зоне криволинейного участка правки MHJ13 и представлены результаты расчета деформаций и напряжений в двутавровой заготовке.

В 4-й главе дана постановка задачи, описана математическая модель процесса прокатки двутавровой заготовки в клетях универсально-балочного стана, приведены результаты решения задачи одновременного определения напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и напряжений в вертикальных и горизонтальных валках универсальной клети.

В 5-й главе дана постановка задачи, изложена теория и приведены результаты расчета нестационарных температурных полей и термоупругих напряжений в валках, изложена методика определения суммарного поля напряжений в горизонтальном валке от усилия прокатки и циклического температурного воздействия с учетом остаточных напряжений в валке.

В 6-й главе изложена математическая модель нестационарного процесса изготовления многослойных бандажей прокатных валков, изложена методика расчета температурного поля и термонапряженно-деформированного состояния двухслойного бандажа, приведены результаты расчета температурного поля, усадки и напряжений двухслойного бандажа.

В 7-й главе представлена математическая модель процесса износа торцевой поверхности горизонтальных валков и приведены результаты решения вариационной задачи по определению разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка и удельной работы сил трения в зоне их контакта при прокатке двутавровой заготовки в универсальных клетях УБС.

В 8-й главе изложены направления повышения эффективности литей-но-прокатного комплекса НТМК для производства широкополочных балок, описана технология получения балок из новой стали повышенной прочности и хладостойкости, дана технология изготовления составных валков повышенной стойкости и приведены результаты исследования стойкости отечественных составных валков.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Комратов, Юрий Сергеевич

Выводы

1. Разработана технология получения на универсально-балочном стане широкополочных балок из новой стали повышенной прочности и хладостой-кости.

2. На основе анализа напряженного состояния двухслойного бандажа и опыта эксплуатации составных валков универсально-балочного стана определены конструктивные параметры двухслойного бандажа, обеспечивающие повышенную стойкость прокатных валков.

3. Проведено экспериментальное исследование стойкости отечественных составных валков на универсально-балочном стане. Установлено, что разработанная технология производства отечественных составных валков обеспечивает получение необходимых различий физико-химических свойств по толщине двухслойного бандажа и рациональное напряженное состояние бандажа в соответствии с эксплуатационными требованиями и позволяет существенно повысить стойкость составных прокатных валков.

4. Создание литейно-прокатного комплекса НТМК для производства двутавровых профилей привело к коренному улучшению качества строительного проката.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны научные основы создания и определены основные направления повышения эффективности литейно-прокатного комплекса для производства широкополочных балок.

Для достижения этих целей решены следующие научные и практические задачи:

-разработана математическая модель нестационарного процесса формирования двутавровой заготовки в процессе непрерывного литья. Установлен уровень и характер распределения напряжений и деформаций по периметру двутаврового слитка в зависимости от возможных отклонений настройки роликов зоны вторичного охлаждения и кристаллизатора от технологической оси разливки и от воздействия ферростатического давления;

- разработана математическая модель и алгоритм расчета напряжений и деформаций двутавровой заготовки в зоне криволинейного участка правки. Установлено, что после прохождения второго треугольника правки заготовка практически выправляется, а напряжения изгиба при этом достигают величины 83 МПа. Остаточные растягивающие напряжения не превышают 10 МПа;

-разработана математическая модель и алгоритм одновременного определения напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и в вертикальных и горизонтальных валках при прокатке двутавровой заготовки в клетях универсально-балочного стана. Установлено, что в очаге деформации двутавровой заготовки реализуется благоприятная с позиции качества проката схема напряженного состояния с преобладанием высоких сжимающих напряжений;

- установлена зависимость касательных напряжений от разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка в зоне контакта и температуры металла, что позволяет оценить интенсивность износа торцевой поверхности горизонтального валка;

- определен уровень и характер распределения радиальных и тангенциальных напряжений в вертикальных и горизонтальных валках универсальной клети от усилия прокатки. Установлено, что тангенциальные напряжения в области очага деформации являются сжимающими и не превышают 394 МПа. Напряжения растяжения в горизонтальных и вертикальных валках возникают в области их входа в очаг деформации и их уровень не превышают 60 МПа;

-разработана математическая модель и алгоритм определения температурных полей и термоупругих напряжений в горизонтальных и вертикальных валках универсальной клети с учетом времени контакта валка с металлом, температуры двутавровой заготовки и расхода охлаждающей воды. Установлено, что в зоне контакта валка с металлом имеют место сжимающие тангенциальные напряжения, достигающие величины 268 МПа. В зонах, где валок не контактирует с металлом, тангенциальные напряжения растягивающие и достигают величины 103 МПа;

-разработана методика определения суммарного поля напряжений в валках универсальной клети с учетом температурных напряжений и напряжений от усилия прокатки, а также остаточных напряжений, возникающих при изготовлении бандажированного валка. Для исключения растягивающих напряжений в поверхностном слое горизонтального валка при прокатке двутавровых балок, и, следовательно для повышения его стойкости, при изготовлении бандажированного валка следует в его поверхностном слое создавать остаточные сжимающие напряжения величиной не менее 120 МПа;

- разработана методика и алгоритм расчета температурного поля и термонапряженного состояния двухслойного бандажа, его усадки, величины обратного натяга и напряжений, возникающих в бандаже. Установлено, что в процессе изготовления двухслойных бандажей во внешнем рабочем слое бандажа возникают сжимающие тангенциальные напряжения, обусловленные величиной обратного натяга. Определена зависимость сжимающих тангенциальных напряжений от соотношения толщин внутреннего и рабочего слоев бандажа;

- на основе анализа напряженного состояния двухслойного бандажа и опыта эксплуатации составных валков универсально-балочного стана определены конструктивные параметры двухслойного бандажа, обеспечивающие повышенную стойкость прокатных валков. Это явилось основой отечественной технологии изготовления составных валков, которая внедрена на Уфа-лейском заводе металлургического машиностроения;

-разработана математическая модель процесса износа торцевой поверхности горизонтальных валков универсальных клетей и решена вариационная задача, что позволило установить распределение разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка и удельной работы сил трения в зоне их контакта. Установлено, что изменение температуры прокатки с 950°С до 850°С ведет к росту максимальной величины износа торцевой поверхности горизонтального валка на 40%;

- на основе экспериментального исследования установлено, что разработанная отечественная технология изготовления составных валков позволила существенно повысить их стойкость;

-разработана технология получения на универсально-балочном стане широкополочных балок из новой стали повышенной прочности и хладостой-кости;

-создание литейно-прокатного комплекса НТМК для производства двутавровых профилей привело к коренному улучшению качества строительного проката.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Комратов, Юрий Сергеевич, 2006 год

1. Технология производства крупных двутавровых балок из непрерыв-нолитых слябов. / В. А. Быков, Ю. Д. Макаров, Б. Н. Поляков и др. // Сталь. 1983, №4, С. 46-49.

2. Хенненвергер В. Современные концепции мини-заводов для прокатки широкополочных двутавровых балок и крупносортного профиля. Сб. трудов Международной конференции «Черная металлургия России и стран СНГ в 21 веке», т. 4, 1994. С. 146-152.

3. Зудов Е. Г., Комратов Ю. С., Мардышкгш Р. Е., БудеевА.В. Маркетинг и управление качеством продукции // НТФ УГТУ, 1995. 89 с.

4. Комратов Ю. С., Лехов О. С. Совершенствование производства проката в условиях НТМК. Изд-во «Банк культурной информации», 2002. 384 с.

5. ГрищукН.Ф., АнтоноеС. П. Производство широкополочных двутавров. М.: Металлургия, 1978. 304 с.

6. New sistemstrends and technologies for casting plants // Metallyrgical Plant and Technology International. 1994, № 6. p. 36-47.

7. Виллим Ф. Непрерывное литье заготовок для изготовления рельсов, тяжелых балок и труб // Черные металлы, 1981. № 14. С. 30-39.

8. Смирнов В. К., Шилов В. А., Инатович Ю. В. Калибровка прокатных валков. М.: Металлургия, 1987. 368 с.

9. Комратов Ю. С. Реконструкция главное условие эффективной работы и развития // Сталь. 1995. № 1. С. 1-4.

10. Машины непрерывного литья слябовых заготовок. Нисков-ских В. М., Карлинский С. Е., Беренов А. Д. М.: Металлургия, 1991. 272 с.

11. П.Интернет http://www.cadfem.ru (информация по пакету ANSYS55.1).

12. Работное Ю. И. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979. 744 с.

13. Боли Б., УэйнерДж. Теория температурных напряжений. М.: Мир, 1976. 349 с.

14. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.541 с.

15. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 393 с.

16. НорриД., Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1981. 304 с.

17. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984.432 с.

18. Канторович Л. В., Крылов В. И. Приближенный метод высшего анализа. Изд. 5-е. М.: Физматтиз, 1952. 708 с.

19. МазурД. Д., ХижнякВ.Л. Сопротивление деформации низколегированных сталей // Сталь. 1991, № 8. С. 41-43.

20. Качалов Я. М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. 420 с.

21. Малинин Н. Н. Технологические задачи пластичности и ползучести. М.: Высш. шк., 1979. 118 с.

22. Целиков А. И., Белянинов В. К, Калмыков В. В. Объемные задачи теории прокатки // Труды МВТУ. 1984. №412. Машины и агрегаты металлургического производства. С. 8-24.

23. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.318 с.

24. Безухое Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высш. шк., 1961.

25. ANSYS. Structural Analysis Guide. Rel. 6.0. http//www.cadfern.ru.

26. Мазур В. Л., ХижнякД. Д. Сопротивление деформации низколегированных сталей / Сталь, 1991, № 8. С. 41-43.

27. Целиков А. И., Никитин Г. С., Рокотян С. Н. Теория продольной прокатки. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

28. Хензель А., Шпиттелъ Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением: Справ. Изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 360 с.

29. Крагелъский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения. М.: Машгиз, 1962. 220 с.

30. Теория обработки металлов давлением / И. Я. Тарновский, А. А. Поздеев, О. А. Ганаго и др. М.: Металлургиздат, 1963. 672 с.

31. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. 688 с.

32. Яловой Н. И., Тылкин М. А., Полухин П. И., Васильев Д. И. Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением. Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1973. 631 с.

33. Сафьян М. М. Прокатка широкополосной стали. М.: Металлургия,1969.

34. Королев А. А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. М.: Металлургия, 1969. 462 с.

35. Иванов А. В., Восканьянц А. А. Моделирование процесса холодной продольной прокатки в гладких валках, http://www.cadfem.ru.

36. Стали и сплавы. Марочник: Справ. Изд. / В. Г. Сорокин и др.; Науч. ред. В.Г. Сорокин, М.А. Гервасьев. М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. 608 с.

37. Тылкин М. А., Яловой Н. И., Полухин П. И. Температуры и напряжения в деталях металлургического оборудования. Учеб. пособие для металлург. вузов. М.: Высш. шк., 1970. 428 с.

38. Теория пластических деформаций металлов / Е. П. Унксов, У. Джонсон, В. JI. Колмогоров и др.; Под ред. Е. П. Унксова, А. Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1983. 598 с.

39. Мэнсоп С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. М.: Мир, 1986.318 с.41 .Боли Б., УэйнерДж. Теория температурных напряжений. М.: Мир, 1976. 349 с.

40. ЛыковА.В. Теория теплопроводности. М.: Высш. шк., 1967. 600 с.

41. Сравнительный анализ качества валков с литыми ручьями из хро-моникелевого чугуна и валков из высокохромистого чугуна / С. Скобло,

42. B. К. Парфешок, Н. И. Сандлер и др. в сб: Обработка металлов давлением / УкрНЕмет. М.: Металлургия, 1970, вып. XVIII. С. 151-172.

43. БНТИ. Черная металлургия. №4. 1983. М.М.Молчанов, Б. Я. Шнееров, JI. А. Никитина, А. Г. Виданов. Оптимизация температурного режима работы валков станов горячей прокатки. С. 3-13.

44. Шорин С. Н. Теплопередача. М.: Высш. шк., 1964. 490 с.

45. Термопрочность деталей машин / под ред. А. И. Биргера, Б. Ф. Шорра. М.: Машиностроение, 1975. 455 с.

46. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волоснякова,

47. C. А. Вяткин и др.; под общей ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

48. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Справочник. М. JL: Энергия, 1967. 240 с.

49. Темгш Я. В. Расчетная зависимость теплообмена излучением роликов MHJI3 // Тепловые процессы при производстве листового проката: Межвузовский сб. / Под ред. А. Н. Шичкова. JI-д.: СЗПИ, 1983. С. 7-12.

50. Буланов JI. В., Карлинский С. Е., Волегова В. Е. Долговечность роликов MHJ13 при наружном и внутреннем охлаждении // Надежность крупных машин: Сб. науч. трудов НИИтяжмаш. Свердловск, 1990. С. 126-132.

51. Хлопонин В. Н., Косырева М. В., КосякА. С. Влияние системы охлаждения на тепловые условия работы поверхностного слоя валка // Труды МИСиС. 1977. № 100. С. 90-93.

52. Астахов И. Г., Белосевич В. К., Ионов С. М., Лебедев Л. С. Определение коэффициента теплоотдачи прокатных валков при охлаждении водой // Труды МиСиС. 1977. № 102. С. 4-9.

53. Гарбер Э. А., Гончарский А. А., Шаравин М. П., Надутое В. Г. Новый метод расчета конвективного теплообмена валков листовых станов // Производство толстолистовой стали. 1981. № 5. С. 54—57.

54. Бровман М. Я., Додин Ю. С. Расчет температурного поля в прокатных валках// Инженерно-физический журнал. 1964. т. 7. № 11. С. 77-81.

55. Третьяков А. В., Гарбер Э. А., ДавлетбаевГ. Г. Расчет и исследование прокатных валков. М.: Металлургия, 1976. 256 с.

56. Шилов В. И., Мурзаева Г. В. Определение коэффициента теплопередачи от металла к валку при горячей прокатке стали // Труды ин-та металлургии. Свердловск, 1965. Вып. 12. С. 123-134.

57. Расчетный метод определения тепловой выпуклости валков станов горячей и холодной прокатки полосы / Аримура Тоори, Окада Масуру, Фуд-жита Фумио // Сосэй то како. 1976. Т. 16. № 168. С. 44-51.

58. Тишаев С. И., Паршин В. А., Одесский П. Д. и др. Рациональное легирование и микролегирование малоуглеродистой хладностойкой стали для металлических конструкций // Сталь. 1994. № 11. С. 65-70.

59. Пирогов В. А., Черненко В. Т., Марцинив Б. Ф. и др. Новые низколегированные кремнистые стали для металлических конструкций // Металловедение и термическая обработка. Черметинформация. М., 1994. 34 с.

60. Комратов Ю. С., Одесский П. Д., Паршин В. А. и др. Горячекатаный прокат класса С345 из стали с небольшим содержанием марганца // Сталь. 1995. № 1.С. 47-52.

61. Комратов Ю. С., Николаев В. А., Стариков В. В. Повышение стойкости валков универсально-балочных станов // Металлург. 1994. № 2. С. 30-32.

62. Комратов Ю. С., Третьяков М. А., Николаев В. А., Стариков В. В. Прогрессивная технология изготовления валков УБС с обеспечением повышенной надежности в процессе эксплуатации // Металлург, 1994. № 7. С. 35-36.

63. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

64. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Справочник. М.: Энергия, 1967. 240 с.

65. Миляев В. М. Особенности производства отливок из стали. Учеб. пособие. Свердловск: Изд-во УПИ им. С. М. Кирова, 1987. 81 с.

66. Денисов Ю. В., Комратов Ю. С., Кузовков А. Я. и др. Исследование ползучести кристаллизующегося непрерывнолитого слитка // Сталь, 1998. № 6. С. 20-22.

67. Денисов Ю. В., Комратов Ю. С., Кузовков А. Я. и др. Расчет деформирования корки сляба под действием ферростатического давления с учетом деформации ползучести // Сталь, 1998. № 5. С. 27-29.

68. Патент 2120477 РФ. Способ раскисления, модифицирования и микролегирования ванадием стали / Комратов Ю. С., Кузовков А. Я., Чернуше-вич А. В. и др. // Бюллютень изобретений. 1998. № 27-31.

69. Патент 2127322 РФ. Способ микролегирования низколегированной стали / Комратов Ю. С., Кузовков А. Я., Ильин В. И. и др. // Бюллютень изобретений. 1999. № 6-9.

70. Патент 2121896 РФ. Способ прокатки толстых листов / Калягин В. Н., Бородин В. В., Сурин П. К., Паутов П. К., Руш A. JL, Кузовков А. Я., Комратов Ю. С. и др. // Бюллютень изобретений. 1998. № 32-36.

71. Патент 2138843 РФ. Способ получения высококачественной стали / Комратов Ю. С., Кузовков А. Я., Полушин А. А. и др. // Бюллютень изобретений. 1999. № 1-6.

72. Патент 2073739 РФ. Конструкционная сталь / Александров Б. JL, Аршанский М. И., Беловодченко А. И., Заболотный В. В., Киричков Ю. С., Комратов Ю. С. и др. // Бюллютень изобретений. 1997. № 1-5.

73. Комратов Ю. С., Лехов О. С. Исследование напряженно-деформированного состояния двухслойного бандажа прокатного валка // Производство проката. 2002. № 4. С. 36-39.

74. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет / Буланов JT. В., Парфенов Е. П. и др. // Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы, 2003. 320 с.

75. Научные принципы создания технологии производства и повышения эксплуатационной стойкости прокатных валков. Ч. 1 / Николаев В. А., Давыдов В. Н., Ефименко С. Г. и др. // Обзор, информ. М. 1989. 73 с.

76. Патент 2140993 РФ. Способ выплавки стали / Комратов Ю. С., Демидов К. Н., Кузовков А. Я. и др. // Бюллютень изобретений. 1999. №31.

77. Патент 2074896 РФ. Способ внепечного рафинирования металлического расплава и устройство для его осуществления/ Комратов Ю. С., Аршанский М. И., Киричков А. А. и др. // Бюллютень изобретений. 1997. № 6.

78. Крагелъский И. В., Добычгш М. Н., Ком балов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

79. Комратов Ю. С., Лехов О. С. Реконструкция и развитие сталеплавильно-прокатного комплекса. Екатеринбург: Аква-пресс, 2001. 136 с.

80. S3. Целиков А. И., ГришковА.И. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1970. 358 с.

81. Груздев А. П. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1988. 239 с.

82. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением / А. Н. Леванов, В. Л. Колмогоров, С. П. Буркин и др. // М.: Металлургия, 1976.416 с.