ЗАГОТОВКА ДЛЯ ПРОКАТКИ КРУГЛОГО СОРТОВОГО ПРОФИЛЯ

Техническое решение относится к области производства круглых профилей методом сортовой прокатки.
Прокат круглого сечения, например, прутки или катанку, производят методом деформации заготовки в калибрах.
Система вытяжных калибров, как правило, предусматривает чередование условно простых геометрических форм, так в системе вытяжных калибров [1] предусматривается наличие чередующихся плоского овального калибра с отношением высоты к ширине 0,4-0,5, и ромбического овального калибра с отношением ширины к высоте 0,8-0,9. При этом ширина ромбического овального калибра на расстоянии от его вершины, равном 0,05-0,09 его полной высоты, и высота плоского овального калибра на этом же расстоянии от его края, равны 0,4-0,5 полной ширины ромбического овального калибра. Недостатком такой калибровки является отсутствие возможности получения круглого профиля.
По ходу прокатки для получения профиля круглого поперечного сечения применяют профиль некруглого сечения, имеющий форму, например, овала [2, 3]. Это позволяет, укорачивая за счет обжатия валками длинную ось овала и используя эффект уширения, привести профиль к форме круга. Таким образом, известным является факт применения в качестве заготовки для получения круглого сортового профиля прутка, имеющего в поперечном сечении овал. По такой схеме получают, например, медную катанку электротехнического назначения [4-6].
к
к
к
Из уровня техники известно, что овальная заготовка для прокатки из нее круглой заготовки может иметь модификации. К этим модификациям относятся соотношения длинной и короткой осей овалов [7], а также форма этих овалов. Изобретением [8] предусмотрено применение для получения круглой стали овальной заготовки с криволинейным участком в средней части, описанным радиусом R, соответствующим круглому профилю. Для повышения устойчивости заготовки и точности размеров проката криволинейный участок выполнен с длиной хорды (1,4-1,8) R и сопряжен с дополнительно выполненными прямолинейными симметрично расположенными участками, наклоненными под углом 10-20° к горизонтальной оси калибра и с общей шириной, равной (2,2-2,4)R. Такое исполнение заготовки приводит к немонотонности выполнения ее контура поперечного сечения, он выполняется с уступами. Из практики прокатки известно, что такой негладкий контур приводит к опасности появления зажимов. Таким образом, недостатком такого технического решения является опасность появления дефектов в готовом прокате.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является профиль овала, полученного при прокатке на мелкосортном стане, приведенный в описании к патенту [9].
В описании к патенту описана заготовка для прокатки круглого сортового профиля, имеющая в поперечном сечении контур овала, симметричного относительно ортогональных осей и образованного криволинейными образующими, состоящими из трех зон: центральной, периферийной и промежуточной,
п
k
k
п
п
Заготовка овального сечения получается за счет прокатки в овальном калибре мелкосортного стана. Овальный калибр в системе калибров овал-круг выполнен с заданным соотношением его ширины В к расчетной высоте Н и симметрично относительно горизонтальной и вертикальной его осей с образующей поперечного сечения калибра, содержащей на середине прямолинейный участок длиной В и два криволинейных участка, образованных каждый двумя радиусами R и r<R. Улучшение устойчивости раската в калибрах рабочих клетей мелкосортного стана и, как следствие, повышение точности размеров проката обеспечивается за счет того, что величина r = 0,5R, где R - радиус последующего круглого калибра,  и точка сопряжения окружностей радиусов R и r лежит на расстоянии πrβ/180 от горизонтальной оси калибра по его образующей, где β=33°…58°, величина В=2Rsinα, где α - угол между вертикальной осью калибра и радиусом R с концом в точке пересечения прямолинейного участка с дугой радиуса R, равный 11°…29°; длина прямолинейного участка В может составлять (0,35…0,56)В.
Из этого описания видно, что результатом формоизменения в описанном калибре является получение заготовки для прокатки круглого сортового профиля, имеющей в поперечном сечении контур овала, симметричного относительно ортогональных осей и образованного криволинейными образующими, состоящими из трех зон: центральной, периферийной и промежуточной. При применении такой заготовки достигается повышение качества круглых сортовых профилей за счет повышения точности размеров. Однако здесь не решена другая техническая задача: уменьшения усилия прокатки, что является недостатком упомянутого технического решения. Вместе с тем, проблема снижения энергозатрат при сортовой прокатке является актуальной задачей [10].
0
0
1
к
2
к
к
Для решения этой задачи предлагается заготовка для прокатки круглого сортового профиля, имеющая в поперечном сечении контур овала, симметричного относительно ортогональных осей и образованного криволинейными образующими, состоящими из центральной, периферийной и промежуточной зон. Заготовка отличается тем, что центральная зона образована контуром эллипса, имеющего малую полуось , где В - высота овала, и большую полуось , где Н - ширина овала, R=(0,250-0,375)R - радиус дуги окружности периферийной зоны с центром кривизны, расположенным на длинной оси овала, промежуточная зона соединяет центральную и периферийную зоны дугой окружности радиусом R=(5,00-6,25)R, где R - радиус круглого сортового профиля.
1
2
Сущность предложения состоит в том, чтобы создать такую форму заготовки, при которой усилие деформации при прокатке круглого профиля оказалось величиной минимальной. Для этого процесс прокатки моделировали с помощью постановки задачи методом конечных элементов и от одной постановки к другой изменяли форму заготовки за счет варьирования величин R и R. В результате получали картину напряженно-деформированного состояния и отслеживали энергосиловые параметры процесса, включая усилие прокатки.
1
к
2
к
На фиг. 1 показана форма поперечного сечения заготовки с указанием параметров, описывающих эту форму. На фиг. 2 приведен пример постановки и решения задачи прокатки овальной полосы в круглом калибре. На фиг. 3 показана зависимость усилия прокатки от параметра R/R, а на фиг. 4 - от параметра R/R.
1
2
2
0
0
1
2
а
а
Ниже приведено описание геометрии предлагаемого профиля заготовки (фиг. 1). Контур измененной заготовки образуется (на примере I-го квадранта, ввиду наличия у измененной заготовки центральной симметрии) элементами трех сопряженных геометрических объектов (в порядке построения): окружности 1, эллипса 2 и окружности 3. Центр окружности 1 радиусом R расположен на горизонтальной оси симметрии на расстоянии  от точки пересечения осей О. Центр эллипса 2 совпадает с точкой пересечения осей. Большая полуось эллипса 2 равна , малая полуось равна b. Окружность 1 и эллипс 2 сопрягаются между собой посредством дуги окружности 3 радиусом R, центр которой находится в III-ем квадранте. Его положение определяется значением радиуса R при условии гладкого сопряжения объектов 1 и 2. Определяющими параметрами в общем случае являются Н, В, R, R. Производные параметры находятся по формулам
, .
0
0
1
2
2
Исследование распределения деформации и ее неоднородности при использовании измененной заготовки в последнем чистовом круглом калибре осуществляется проведением вычислительного эксперимента с использованием конечно-элементного моделирования процесса в программном комплексе DEFORM. При этом фиксируется исходная высота (Н=12,50 мм) и площадь поперечного сечения измененной заготовки (ω=64,40 мм). Определяющими параметрами являются величины радиусов R (диапазон варьирования 1,00-2,25 мм с шагом 0,25 мм) и R (диапазон варьирования 10-30 мм с шагом 5 мм).
0
1
к
Ширина измененной заготовки В для каждой совокупности определяющих параметров находится исходя из условия постоянства площади поперечного сечения и, таким образом, является производным параметром. Изменение профиля заготовки отображено на фиг. 2 (один из валков условно не показан). Размеры измененной заготовки, круглого профиля в виде катанки и соответствующие коэффициенты деформации приведены в табл. 1. В ней введены следующие обозначения: ω - площадь поперечного сечения после прокатки, 1/η, β, λ - соответственно коэффициенты высотной деформации, уширения и вытяжки. В дальнейших примерах принято R=4 мм, что соответствует номинальному диаметру круглого профиля 8 мм.
Значения энергосиловых параметров: усилия Р, момента М и коэффициента плеча приложения равнодействующей при прокатке приведены в табл. 2.
1
2
В примерах 1-29 приведены исходные данные и результаты расчета при переменных значениях радиусов R и R, а в примере 30 - при постоянном радиусе овала, что соответствует обычной практике прокатки.
1
к
1
к
1
к
1
к
1
к
1
к
1
к
На фиг. 3 изображена зависимость усилия прокатки от параметра R/R при двух значениях параметра R/R, равных 6,25 и 7,50. Из нее видно, что при значениях R=(0,250-0,375)R функция усилия достигает минимума, поэтому такой интервал выбран для отображения в формуле заявляемого объекта. Сказанное поясняется данными табл. 3, откуда видно, что R/R=0 является запредельным по причине формирования острой кромки при отсутствии радиуса закругления, что приводит при прокатке к образованию дефектов типа зажима. При превышении R/R значения 0,375 происходит значимое повышение усилия прокатки, что приводит к повышенным энергетическим затратам. Таким образом, допустимый интервал изменения параметра R/R составляет 0,250-0,375 и соответственно R=(0,250-0,375)R.
2
к
2
к
2
к
2
к
2
к
2
к
В табл. 2 и на фиг. 4 показано, что минимальное усилие прокатки достигается при параметре R/R=5,00. При R/R=6,25 усилие мало отличается от минимального, поэтому его можно включить в допускаемый диапазон. При значениях R/R<5,00 и R/R>6,25 усилия увеличиваются, что повышает энергетические затраты, поэтому предлагаемый диапазон составляет R/R=5,00-6,25, соответственно R=(5,00-6,25)R.
В примере 30 (табл. 1) показано, что при применении заготовки, образующая которой выполнена в виде обычного овала без деления контура сечения на три зоны усилие прокатки оказывается самым большим и равно 24,99 кН против минимального из предложенных вариантов 17,82 (пример 10). Таким образом, при применении профиля овальной полосы предлагаемой конфигурации усилие прокатки может быть снижено на 100*(24,99-17,82)/24,99=29%. Из расчетов видно, что коэффициент плеча приложения равнодействующей в различных вариантах изменяется в диапазоне в небольшом диапазоне 0,61-0,74, поэтому снижение момента, и в целом энергетических затрат, будет соответствовать снижению усилия, тем самым показана экономия энергетических затрат при использовании параметров заявляемого объекта.
Таким образом, технический результат от применения заявляемого объекта заключается в снижении усилия прокатки и экономии энергетических затрат.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент на полезную модель RU 5743. Система вытяжных калибров. МПК В21В 1/16. Опубл: 16.01.1998. Заявитель Шатохин И.М. / Радюкевич К.Л., Кузьмин А.Л., Шатохин И.М.
2. Патент US 3683662. ROLLING METHOD FOR WIRE AND OTHER ROD-SHAPED ROLLING STOCK. DECHENE WALTER; ROTHE HERBERT; SALMEN FRITZ. Опубл. 15.08.1972. МПК B21B 1/18.
3. Патент US 6314781. METHOD OF WIRE ROLLING AND ROLLING MILL. Nagase Tadahiro. Publ. 13.11.2001. МПК В21В 1/16; B21B 1/18; B21B 37/00.
4. Логинов Ю.Н., Инатович Ю.В., Зуев А.Ю. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНОГО ТРЕНИЯ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ КАТАНКИ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕДИ. Производство проката. 2010. №2. С. 14-18.
5. Инатович Ю.В., Логинов Ю.Н., Постыляков А.Ю. АДАПТАЦИЯ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ПРОКАТКЕ МЕДНОЙ КАТАНКИ. Производство проката. 2014. №5. С. 16-21.
6. Патент на полезную модель RUS 80362. Медная катанка. Логинов Ю.Н., Бычков С.Г., Зверев А.В., Титов А.В. Опубл. 11.09.2008.
7. Патент RU 2490079. СИСТЕМА КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ. МПК В21В 1/02. Опубл: 10.05.2013. Виноградов А.И., Король С.О., Трайно А.И., Чопоров В.Ф. Бюл. №13.
8. А.с. СССР №791437. Предистовой двухвалковый калибр для прокатки круглой стали / Прищенко Л.Н., Гладков Г.А., Хайфец И.Л. и др. Опубл. 23.12.1980, Бюл. №48. МПК В21В 1/00.
9. Патент РФ RU 2351411. Овальный калибр мелкосортного стана. / Антипанов В.Г., Шубин И.Г., Корнилов В.Л., Сиротюк А.П. Патентообладатель: ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат". Заявка: 2007123096/02 от 19.06.2007. Опубл. 10.04.2009. Бюл. №10.
10. Инатович Ю.В., Постыляков А.Ю., Логинов Ю.Н., Зуев А.Ю. ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ ПРИ ПРОКАТКЕ МЕДНОЙ КАТАНКИ НА НЕПРЕРЫВНОМ ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНОМ АГРЕГАТЕ. Производство проката. 2015. №5. С. 42-45.