Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Череповецкий государственный университет»
Э.А. Гарбер, и.А. Кожевникова Теория прокатки
Учебник для студентов, обучающихся по направлениям подготовки: «Металлургия», «Технологические машины и оборудование» и «Машиностроение»
Череповец
2012
УДК 621.771.01 ББК 34.621. Г20 |
Рассмотрено на заседании кафедры металлургии, машиностроения и технологического оборудования, протокол № 1 от 07.09.2012г. |
|
Одобрено УМС ЧГУ Протокол № от 2012г. |
Гарбер Э.А., Кожевникова И.А.
Г 20 Теория прокатки: учебник для вузов.- Череповец: ФГБОУ ВПО ЧГУ, 2012.- с.
ISBN 978-5-
В учебнике изложены основы современной теории продольной прокатки. Основные вопросы, рассмотренные в учебнике: закономерности формоизменения и скоростного режима полосы при прокатке, методы расчета контактных напряжений в очаге деформации, силы прокатки, мощности и момента прокатки, моментов и мощности двигателей главного привода рабочей клети. Каждая теоретическая тема завершена примерами расчета и контрольными вопросами.
Изложение материалов соответствует традициям научной школы академика А.И. Целикова. Ряд положений этой научной школы получили в учебнике дальнейшее развитие, необходимое в связи с техническим прогрессом прокатного производства, имевшим место в последние десятилетия.
Это позволило усовершенствовать методы расчета энергосиловых параметров процесса прокатки процесса прокатки и сократить в 3-4 раза расхождения между расчетными и фактическими силами прокатки, мощностями и моментами двигателей прокатных станов.
Учебник предназначен для студентов, аспирантов и магистрантов металлургического направления.
Р е ц е н з е н т ы: Н.А. Чиченёв – д-р техн.наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ кафедры «Пластическая деформация специальных сплавов» Московского государственного института стали и сплавов; В.П. Анцупов - д-р техн.наук, профессор кафедры «Машины и оборудование металлургических заводов» Магнитогорского технического университета.
Н а у ч н ы й р е д а к т о р: А.И. Трайно - д-р техн.наук ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН.
|
Гарбер Э.А., Кожевникова И.А., 2012 |
ISBN 978-5- |
ФГБОУ ВПО ЧГУ, 2012 |
Глава 1. Введение в курс «теория прокатки»
Теория прокатки входит в цикл профессиональных дисциплин учебного плана подготовки специалистов направления «Металлургия», профиля «Обработка металлов давлением».
Прокатка представляет собой один из технологических процессов, объединенных общим названием «пластическая деформация металлов» или «обработка металлов давлением (сокращенно «ОМД»).
Кроме прокатки, к процессам пластической деформации металлов относятся ковка (древнейший процесс), штамповка, прессование, волочение. Все процессы пластической деформации имеют общий принцип действия: к обрабатываемому металлу (заготовке) прикладывают с помощью различных инструментов одну или несколько сил таким образом, чтобы после прекращения действия этих сил изменилась первоначальная форма или размеры заготовки, или размеры и форма одновременно. Именно этот принцип отличает пластическую деформацию от упругой, когда после прекращения действия сил размеры и форма детали восстанавливаются полностью. Изменение размеров, формы заготовки после процесса ОМД означает, что металл сохранил часть деформации, полученной под воздействием внешних сил. Сохраненную деформацию называют остаточной. Получение остаточной деформации является главной задачей всех процессов ОМД, причем – не любой остаточной деформации, а строго регламентированной во всех направлениях, так как от этого зависят требуемые размеры и форма готового изделия.
Прокатка отличается от других процессов ОМД тем, что пластическая деформация заготовки происходит при ее движении между двумя или несколькими вращающимися валками. Пространство, которое занимает прокатываемый металл между валками, называют очагом деформации. В очаге деформации между металлом и каждым валком возникают силы: нормальные (обжимающие металл и упруго деформирующие валки) и касательные (силы трения). Эти силы вызывают появление на поверхностях контакта металла и валков нормальных и касательных напряжений, создающих сопротивление вращению валков. От этих сил и напряжений зависят направления и скорости движения отдельных частей металла в очаге деформации, а значит – изменения его размеров и формы.
Чтобы осуществить процесс прокатки, надо уметь рассчитывать указанные изменения размеров и формы металла и скорость, с которой они происходят. Кроме того, надо уметь рассчитывать контактные напряжения и силы в очаге деформации, работу и мощность, затрачиваемые валками, и момент и мощность двигателей, вращающих валки. Таким образом, если задан требуемый сортамент прокатываемого металла (марки сталей или сплавов, диапазоны толщин, ширин, длин, формы профилей), то для разработки конструкции прокатного стана и технологии прокатки необходимо предварительно определить следующие исходные данные: силы, действующие на металл и валки под влиянием напряжений в очаге деформации, работу и мощность прокатки, мощность и момент двигателей, вращающих валки.
Указанные исходные данные называют общим термином: «энергосиловые параметры процесса прокатки». Некоторые из них зависят от температуры прокатываемого металла, поэтому, параллельно с энергосиловыми параметрами необходимо включать в число исходных данных параметры теплового режима процесса прокатки.
Задача теории прокатки – создать методики расчета этих исходных данных. Для решения указанной задачи в теории прокатки разработаны методики расчета следующих параметров:
- нормальных и касательных контактных напряжений в очаге деформации;
- изменений формы и размеров прокатываемого металла, скорости движения полосы в очаге деформации;
- сил, действующих между валками и прокатываемым металлом;
- работы и мощности, необходимых для осуществления процессов прокатки, а также момента, который должен создать двигатели, приводящие во вращение прокатные валки;
- параметров теплового режима процесса прокатки (температуры полосы и валков, их теплового профиля).
Перечисленные методики основаны на следующих фундаментальных законах и понятиях общих для всех процессов пластической деформации, которые входят в программу учебной дисциплины «теория ОМД», предшествующей изучению дисциплины «теория прокатки»:
- теория напряжений и деформаций в металлах;
- пластичность металла и уравнения (условия) пластичности;
- сопротивление пластической деформации металла и методы его определения;
- законы пластической деформации, в том числе важнейший из них – закон постоянства объема металла;
- закономерности и виды трения в процессах ОМД;
- кристаллическое строение металлов и его изменения при пластической деформации.
В свою очередь, и теория ОМД, и теория прокатки основаны на предшествующих дисциплинах естественнонаучного и общетехнического циклов: математике, физике, теплотехнике, теоретической и технической механике, сопротивлении материалов, материаловедении.
Логическая схема взаимосвязи всех указанных дисциплин со специальными дисциплинами направления «металлургия». Профиля ОМД показана на рис. 1.1. Из этой схемы видно, что глубокое понимание теории прокатки, умение грамотно применять её законы в профессиональной деятельности (при конструировании прокатных станов и разработке технологии прокатки) возможны только при наличии необходимого минимума остаточных знаний в области естественнонаучных, общетехнических дисциплин и теории ОМД.
Поэтому мы рекомендуем студентам, имеющим пробелы знаний, в каких-то из указанных на рис. 1.1 разделов предшествующих дисциплин, обратиться к соответствующим учебникам, учебным пособиям и восполнить эти пробелы. Чтобы студенты могли объективно оценить свои остаточные знания, в конце «Введения» приведены контрольные вопросы. Правильность ответов на них должен проверить преподаватель.
Студенты, помимо изучения теории прокатки, должны иметь представление также об истории её создания и о том, чем отличается данный учебник от учебников по этой дисциплине, опубликованных ранее. Этим вопросам посвящена заключительная часть раздела «Введение».
Теория прокатки как прикладная наука создавалась и развивалась параллельно с разработкой прокатных станов и технологии прокатки, начиная с середины 19 века. Современная (так называемая «классическая») теория прокатки сложилась во 2й половине 20 века благодаря трудам выдающихся отечественных и зарубежных ученых А.И. Целикова, И.М. Павлова, А.П. Чекмарева, А.Д. Томленова, С.И. Губкина, В.С. Смирнова, П.И. Полухина, И.Я. Тарновского, А.А. Королева, Е.С. Рокотяна, М.М. Сафьяна, С. Финка, Э. Зибеля, Т. Кармана, С. Экелунда, А. Надаи, Ш. Гелеи, В. Робертса и других.
Общетехнические
дисциплины
Естественно-научные
дисциплины
Сопротивление
материалов (теория упругости)
Механика
Физика
Математика
Кинематика
Дифференциальное
и интегральное исчисление
Законы
трения
Элементы
теории упругости
Силы
и операции с ними
Тепломассообмен
и теплопередача
Дифференциальные
уравнения
Напряжения:
нормальные, касательные, главные,
эквивалентные
Момент
силы
Работа
и мощность
Тригонометрические
функции
Уравнения
равновесия
Расчет
балок
Законы
Ньютона
Математическая
статистика
Теория
пластической деформации
Теория
прокатки
Теория
ОМД (основы)
Очаг
деформации и его параметры
Напряжения
и деформации
Контактные
напряжения в очаге деформации
Пластичность,
уравнения пластичности
Формоизменение
металла и скоростной режим в очаге
деформации
Сопротивление
деформации
Энергосиловые
параметры (силы в очаге деформации,
мощность прокатки, момент и мощность
двигателей валков)
Законы
пластической деформации
Кристаллография
Трение
в процессах ОМД
Тепловые
параметры (температура полосы и валков,
их тепловой профиль)
Специальные
дисциплины
Технология
прокатки
Оборудование
прокатных цехов
Рис. 1.1. Взаимосвязь теории прокатки с теорией ОМД, дисциплинами естественнонаучного и общетехнического циклов и со специальными дисциплинами.
В этот период были опубликованы учебники А.И. Целикова по теории прокатки [1;2], сыгравшие большую роль в подготовке отечественных специалистов по прокатному производству, учебник В.С, Смирнова [3],большое количество книг и статей, посвященных различным разделам теорий пластической деформации и прокатки.
Технический прогресс прокатного производства во 2й половине 20 века стимулировал разработку новых решений в теории прокатки, обеспечивающих более точный расчет параметров формоизменения металла, его напряженно-деформированного состояния, сил и мощности процессов прокатки, их теплового режима.
Существенный вклад в развитие теории прокатки на этом этапе внесли ученики названных выше её основоположников, в том числе А.В. Третьяков, В.Н. Выдрин, Ю.Д. Железнов, В.П. Полухин, А.К. Григорьев, П.К. Тетерин, Г.Я. Гун, Г.С. Никитин, С.Е. Рокотян, В.И. Зюзин, В.А. Николаев, В.И. Воронцов, В.Т. Жадан, В.К. Белосевич, А.В. Зиновьев, М.Я. Бровман, Э.А. Гарбер, В.М. Салганик, В.Л. Мазур, И.Ю. Приходько, А.М. Сафьян, А.И. Гришков, Ю.В. Коновалов, Я.Д. Василёв, А.А. Нефедов.
По результатам их работ, относящихся к различным аспектам теории прокатки, были опубликованы справочники [4;5], учебное пособие [6], монографии [7;8;9;10;11;12;13;14], статьи в отечественных и зарубежных металлургических журналах.
В последних десятилетиях 20 века и в первом десятилетии 21 века под воздействием технического прогресса в прокатном производстве России произошли новые изменения, возникли новые тенденции. Наиболее существенные из них:
- повысились требования к качеству, точности размеров и плоскостности проката;
- обострилась энергетическая проблема, актуальной стала задача экономии энергетических и материальных ресурсов.
Под воздействием этих тенденций в сортаменте, технологии, оборудовании действующих широкополосных станов горячей и холодной прокатки произошли значительные изменения. В частности, освоен выпуск горячекатаных полос толщиной 0,8 -1,5 мм, ранее относившихся к сортаменту станов холодной прокатки. На станах по производству холоднокатаных автомобильных и конструкционных листов освоен выпуск высокоточных полос толщиной до 0,2-0,25 мм, не предусмотренных паспортными характеристиками этих станов.
Указанные изменения сортамента привели к возникновению ряда проблем в эксплуатации действующих станов. Отметим наиболее существенные из них.
Чтобы выполнить возросшие требования к точности размеров и плоскостности полос, возникла необходимость увеличения точности расчета режимов прокатки. Эти расчеты основывались на методах теории прокатки, разработанных в 40х -70х годах 20 века применительно к сортаменту и технологии того периода.
Уменьшение освоенной толщины полос привело к росту обжатий на действующих станах, что вызвало увеличение сил прокатки и расхода энергии, при этом в ряде случаев нагрузка на узлы рабочих клетей и мощность двигателей главного привода повысились до значений, не предусмотренных паспортными характеристиками оборудования.
Чтобы справиться с этими проблемами, необходимо было внести в методику энергосиловых расчетов процессов прокатки новые усовершенствования, которые снизили бы погрешности этих расчетов.
Опыт показал, что наибольшие расхождения между фактическими силами и мощностями прокатки и рассчитанными по наиболее распространенным методикам, возникают при прокатке наиболее тонких полос.
Анализ причин этих расхождений показал, что, чем тоньше полоса, тем бóльшую часть длины очага деформации занимают упругие участки, а длина пластических участков соответственно сокращается. Так, при горячей прокатке полос толщиной 0,8-1,5 мм длина упругих участков достигает 20-23% от общей длины очага деформации, а при холодной прокатке полос толщиной менее 0,3 мм длина упругих участков может оказаться больше, чем длина пластических.
Однако в общепринятых (классических) методах расчета напряженно-деформированного состояния полосы, сил и мощности прокатки [1-12], уравнение пластичности используют на всей длине очага деформации, в том числе – на упругих участках, где это уравнение неприменимо. В этом была главная причина значительных расхождений между фактическими и расчетными энергосиловыми параметрами. Были и другие причины, которые объяснены в последующих разделах этого учебника.
Чтобы обеспечить необходимую высокую точность энергосиловых расчетов процесса прокатки, ученые Череповецкого государственного университета в 2000-2011 г.г. выполнили комплексные исследования, в том числе на действующих станах. В результате в теорию прокатки были внесены усовершенствования, сократившие расхождения между фактическими и расчетными энергосиловыми параметрами в 3-5 раз. Применение этих усовершенствований позволило повысить качество проката и уменьшить расход электроэнергии на ряде действующих станов.
В данный учебник включены все эти усовершенствования, этим он отличается от учебников по теории прокатки, опубликованных ранее, в том числе в 2009 и 2010 г.г. [15;16]. По содержанию, методам, структуре, форме изложения материала учебник находится в русле научной школы А.И. Целикова, развивая и уточняя ряд положений, разработанных представителями этой научной школы.