книги из ГПНТБ / Чижиков, Ю. М. Редуцирование и прокатка металла непрерывной разливки

тельные обжатия за проход при этом равны соответст­ венно 0,025—0,013 и 0,05—0,3.

Названные количественные значения критерия 1д/кс характеризуют необычный процесс прокатки. В теории прокатки условия, отвечающие этим критериям, обобща­ ются понятием IjJhc— 0,54-1,0, при этом отмечается, что они сопровождаются возрастающим влиянием внешних зон, в результате которого увеличивается неравномерное распределение скорости движения прокатываемого ме­ талла в очаге деформации. Подчеркивается, что благо­ даря этому во внутренних слоях металла возникают зна­ чительные продольные напряжения, которые часто при­ водят к образованию внутренних разрывов и пустот в металле. Эти обобщения и выводы были сделаны на основе опыта прокатки слитков, главным образом на блюмингах, где в ряде случаев обнаруживаются нару­ шения сплошности металла внутри прокатываемых се­ чений. Такое явление наблюдается большей частью в первых проходах, когда деформируются слитки с отно­ шением сторон сечения Н/В— 14-1,5 при ширине слит­ ков 600—900 мм, прокатка которых производится прак­

цессу прокатки высоких полос на блюмингах. Практика этого процесса имеет многолетнюю историю, теории про­ цесса прокатки на блюмингах посвящена очень большая литература. Именно поэтому для полной ясности новую теорию процесса редуцирования рассмотрим в сопостав­ лении с условиями прокатки высоких полос на блю­ мингах.

Проведенные специальные исследования показали, что редуцирование действительно сопровождается опре­ деленной неравномерностью деформации, в результате которой в металле действительно могут возникать соот­ ветствующие растягивающие напряжения. Следователь­ но, в этом отношении процесс редуцирования действи­ тельно схож с процессом прокатки на блюмингах. Растя­ гивающие напряжения возникают между частицами ме­ талла в результате различной скорости их движения, обусловленной неравномерностью деформации. Очевид­ но, что сами значения растягивающих напряжений меж­

60

ду частицами будут определяться сопротивлением, кото­ рое оказывают увлекаемые частицы тянущим усилиям увлекающих частиц, т. е. податливостью первых. Чем по­ датливость увлекаемых частиц будет больше, тем при меньших растягивающих напряжениях они будут пере­ мещаться вслед за теми частицами, которые их приво­ дят в движение. Каждая частица в осевой зоне увлекае­ мая впереди нее перемещающимися частицами, в свою очередь приводит в движение частицы, расположенные рядом с ней, над ней и под ней, т. е. с боков и сзади.

Частицы, расположенные сзади, поскольку они нахо­ дятся в одинаковых условиях с частицами, находящими­ ся перед ними, не должны оказывать им сопротивления, поэтому вдоль перемещающихся частиц напряжения между ними будут, очевидно, минимальными. Частицы, расположенные сверху и снизу тянущих частиц, не толь­ ко не оказывают сопротивления тянущим частицам, но стремятся сами занять место движущихся частиц, по­ скольку они находятся под воздействием частиц, распо­ ложенных над ними и постоянно стремящихся опустить­ ся вниз, т. е. но направлению к осевой зоне, в сторону тянущих частиц. Видимо, особую роль играют частицы, расположенные по бокам тянущих частиц. Под их воз­ действием частицы с боков прокатываемых полос обя­ зательно должны перемещаться к середине полосы, и в зависимости от того, какое сопротивление они будут оказывать этому их вынужденному перемещению, и опре­ делится величина растягивающих напряжений в метал­ ле. Это сопротивление будет возрастать с увеличением цепочки частиц, считая от центральной зоны сечения до боковых кромок прокатываемых полос, которые должны следовать за увлекающими их частицами. Это значит, что по мере увеличения ширины прокатываемой полосы, если в осевой зоне созданы предпосылки для вынужден­ ного перемещения частиц, обусловленные различной скоростью их перемещения по различным горизонтам сечения, напряженное состояние внутри сечения в коли­ чественном отношении будет ухудшаться. При достаточ­ но большом значении этой ширины растягивающие на­ пряжения могут превысить предел прочности металла, обычно в самом слабом месте, и привести к местному нарушению сплошности металла. Как показывает опыт, это чаще всего происходит в местах, где в металле обна­ руживается ликвационный квадрат, как правило, на

61

расстоянии, несколько большем четверти ширины поло­ сы. Наоборот, по мере уменьшения протяженности це­ почки частиц, сопротивляющихся растягивающим напря­ жением, т. е. по мере уменьшения ширины прокатывае­ мых полос, величина растягивающих напряжений долж­ на уменьшаться.

Из приведенных рассуждений следует, что крайнее проявление неблагоприятной схемы напряженного со-

1

Рис. 29. Схема к определению величины растягивающих напряжений

стояния — нарушения сплошности металла — определиется не только самим фактом наличия такой схемы на­ пряженного состояния, но и теми условиями, при кото­ рых соответствующие растягивающие напряжения до­ стигают количественных значений, могущих вызывать нарушение сплошности металла. Иными словами, сама по себе схема напряженного состояния с растягивающи­ ми напряжениями не может рассматриваться как небла­ гоприятная, если она действует в условиях, при которых растягивающие напряжения не достигают и не могут достигнуть количественных значений, в результате кото­ рых возможно нарушение сплошности металла. Объяс­ ним сказанное на примере (рис. 29). Тело 1, лежащее на плоскости, должно быть перемещено в сторону при по­ мощи груза 2, подвешиваемого к нити 3, перекинутой через блок. Допустим, что при массе груза 2, равной 100 кг, так же как и при любой большей, например до 1000 кг включительно, тело с места не сдвинулось, но сама нить при грузе, равном 1000 кг, разорвалась, т. е. произошло нарушение ее сплошности. Очевидно, что схе­ ма напряженного состояния нити была одинаковой при

62

любой величине груза 2, но нарушение сплошности про­ изошло, когда растягивающие напряжения превысили предел прочности этой нити. Теперь допустим, что тело 1 поставлено на тележку с колесами на шариковом ходу и что в этом случае оно начало перемещаться при массе груза, например 100 кг. Естественно, что схема напря­ женного состояния для нити не изменилась, она, как и в первом случае, подвергалась растяжению; измени­ лось лишь то, что уменьшилось сопротивление тела 1 пе­ ремещению, или, что то же самое, увеличилась его «по­ датливость» в таком понимании, как оно было рассмотре­ но выше.

Аналогичная картина имеет место и при деформации металла. В осевой зоне сечения возникают тянущие уси­ лия. Перемещающиеся вдоль очага деформации части­ цы увлекают за собой частицы, примыкающие к ним со всех сторон. В особых условиях, как уже описывалось, находятся частицы, расположенные по бокам, где при одной и той же схеме напряженного состояния возника­ ющие растягивающие напряжения могут достигать раз­ личных количественных значений — от незначительных, «безвредных» до величин, способных привести к нару­ шению сплошности. В условиях деформации это зависит от податливости «контура» сечения, внешним выражени­ ем которой является изгиб внутрь боковых сторон се­ чения, проявляющийся на прокатываемых полосах в ви­ де утяжки металла, т. е. отрицательной поперечной деформации. Однако утяжка сама по себе (ее количе­ ственное выражение) не характеризует величину рас­ тягивающих напряжений. Она показывает только, что растягивающие напряжения достигли своего наибольше­ го значения, и что они, поскольку эта утяжка имеет ме­ сто, не могут привести к нарушению сплошности метал­ ла. Сама же величина этих напряжений соответствует моменту начала утяжки, когда начинается изгиб внутрь боковых сторон сечения полос, т. е. происходит как бы потеря их устойчивости.

Определение количественных значений напряжений, при которых начинается утяжка, характеризующих «по­ датливость» профиля при горячей деформации, доволь­ но сложная задача. Поэтому здесь проведем только сравнительный анализ податливости контура сечения для двух случаев: 1) редуцирования слябов сечением 2000X350 мм и 2) прокатки слитков сечением 800Х

63

Х800 мм на блюминге. Для обоих случаев определим усилия и напряжения, необходимые для изгиба внутрь боковых вертикальных слоев металла, протяженность которых равна длине дуги захвата, а толщина — полови­ не ширины сечения соответственно h\— \lb мм и h2 —

= 400 мм (рис. 30).

Аналогичный расчет проведем для условно выделен­ ных слоев, расположенных у самой боковой кромки. Толщину слоя для слитка примем равной h2= 100 мм, а для сляба с учетом различия в ширинах слитках 800

и 350 мм — равной /гх = 100350/800=43,8 мм. Расчеты произведем по известным формулам [67]:

~I3 ’

Ъ1*

где Р — усилия;

q— нагрузка на 1 м; а — напряжения.

Учитывая то, что напряженное состояние при про­ катке слитков на блюмингах и возможное влияние не­ благоприятного напряженного состояния на качество проката досконально изучено, при расчетах ставилась задача установить, является ли напряженное состояние при редуцировании более или менее благоприятным, чем при прокатке на блюмингах. Для ответа на этот вопрос лучше всего пользоваться относительными вели­ чинами, в частности отношениями значений Р 21 Р ь <7 г/<7 1 > о2/оь в которых индексом 2 обозначены соответствую­ щие параметры для условий прокатки слитков, а индек­ сом 1 — для редуцирования слябов.

При деформации в обоих случаях одного и того же

64

\

Рис. 30. Геометрические' параметры для расчета растягивающих напряжений при редуцировании слябов (а) и прокатки слит­ ков (б)

и результаты расчетов. Согласно полученным данным, для рассмотренных случаев:

Эти равенства получились одинаковыми для всех принятых толщин слоев h. Они, очевидно, останутся та­ кими же и при всех других меньших толщинах, посколь­ ку значения этих толщин должны подбираться пропор­ циональными соответствующим ширинам полос В. Ра­ венства (2.19) не изменятся также, если величина стре­ лы прогиба будет меньше или больше принятой при рас­ чете величины / — 1 мм. Увеличение или уменьшение f

66

скажется только на абсолютных значениях Р, q и о. Ра­ венства (2.19) показывают, что контур сечения слитков в условиях прокатки на блюмингах значительно более жесткий, т. е. менее податливый, чем при редуцировании слябов в сравнимых условиях.

Если судить по величине напряжений а, то можно утверждать, что податливость металла тянущим напря­ жениям при редуцировании слябов в 710 раз более вы­ сокая, чем при прокатке слитков. Иными словами, сами напряжения, при которых начинается движение метал­

пряжениях равных в2, происходит нарушение сплошно­ сти, возможное, когда растягивающие напряжения по величине превышают предел прочности материала в том объеме, где произошло нарушение сплошности, то, по­ скольку редуцированию и прокатке по условию подвер­ гается один и тот же материал, можно утверждать, что при редуцировании такое нарушение сплошности невоз­ можно, так как Oi в 710 раз меньше а2, следовательно, во столько же раз меньше предела прочности металла. Произведенные расчеты, строго говоря, относятся к слу­ чаю деформирования холодного металла, поскольку при­ нятые значения модуля упругости соответствуют холодно­ му металлу. Однако для проведенного анализа главное значение имеют относительные безразмерные отношения, согласно уравнениям (2.15) — (2.17) . По этим уравнениям безразмерные отношения не зависят от состава материала, поэтому они могут быть распространены и на условия деформации горячего металла. Если при этом еще учесть, что они не зависят также и от величины стрелы прогиба, то сказанное станет еще убедительнее, тем бо­ лее, что сама величина прогиба для расчетов размерных величин может быть принята сколь угодно малой (одинаковой для обоих сравниваемых случаев), когда деформация горячего металла будет находиться в упру­ гой или близкой к ней области.

В процессе деформации утяжка, т. е. как бы изгиб внутрь боковых кромок, получается различной, она мо­ жет быть большей или меньшей, увеличиваться или уменьшаться в процессе деформации. В связи с этим возникает вопрос о том, как будут изменяться напряже­ ния, появляющиеся в металле при этих условиях. Озна­

чает ли увеличение утяжки и однозначное увеличение растягивающих напряжений? Характеризует ли большая степень утяжки большие растягивающие напряжения? Вопросы эти не Простые, но ответить на них можно. Из предыдущего анализа следует, что знак равенства меж­ ду величинами утяжки и напряжений, вызывающих утяжку, ставить нельзя.

Напряжения растяжения, вызывающие утяжку в дан­ ных условиях, достигают своих наибольших значений в момент начала самой утяжки, т. е. тогда, когда прео­ долена максимальная жесткость контура сечения. Даль­ нейший рост напряжений в условиях горячей деформа­ ции должен отсутствовать, так как перемещению частиц по направлению движения тянущих сил больше не ока­ зывается сопротивления. Это перемещение будет иметь место до тех пор, пока эти тянущие силы действуют. Что же вызывает эти тянущие силы и чем определяется дли­ тельность их действия? Очевидно, что и то, и другое вы­ зывается степенью деформации, или, точнее, объемом металла, смещаемом в высотном направлении, обуслов­ ливающим вытяжку и поперечную деформацию ме­ талла.

Чем больше смещенный объем, тем больше металла перемещается в продольном направлении, тем дольше действуют и тянущие силы, тем больше будет величина утяжки (конечно, в условиях, когда происходит утяж­ ка). С уменьшением смещенного объема величина утяж­ ки, естественно, будет уменьшаться. Однако сами на­ пряжения при этом будут одинаковыми, так как их ве­ личина зависит не от длительности действия, опре­ деляемого смещенным объемом, а от податливости

дет равнозначно перемещению тела, установленного на подшипниках. Оно будет перемещаться сколь угодно долго под воздействием тянущей силы, которая, очевид­ но, сохранится постоянной и равной той величине ее, при которой началось движение тела.

Из приведенного анализа следует:

сама по себе схема напряженного состояния с рас­ тягивающими напряжениями без учета податливости контура сечения металла, подвергаемого деформация,

68

не может рассматриваться как неблагоприятная в смыс­ ле возможного нарушения сплошности металла;

чем больше податливость контура сечения деформи­ руемого металла, тем меньше количественные значения растягивающих напряжений, возникающих в металле при одинаковых схемах напряженного состояния;

процесс редуцирования, сопровождающийся в резуль­ тате неравномерности деформации в первых проходах утяжкой металла, характеризуется большой податли­ востью контура, благодаря чему существенно снижают­ ся растягивающие напряжения, величина которых ис­ ключает возможность нарушения сплошности металла;

напряженно-деформированное состояние при редуци­ ровании благодаря особенностям процесса, осуществляе­ мого в глубоких калибрах со стесненным уширением, при значительной податливости контура сечения, опре­ деляемой его малой толщиной по стороне, по которой происходит отрицательная поперечная деформация, яв­ ляется в сравнимых условиях значительно более благо­ приятным, чем при прокатке слитков на блюмингах.

Г л а в а 3

КОНЦЕВОЙ НАКАТ ПРИ РЕДУЦИРОВАНИИ

ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ

ВНЕУСТАНОВИВШЕМСЯ ПРОЦЕССЕ РЕДУЦИРОВАНИЯ

Впредыдущей главе было показано, что продольная деформация по длине полос при редуцировании распре­ деляется неравномерно. На участке длины, который со­ ответствует установившемуся процессу, вытяжки всех слоев по высоте сечения одинаковы и равны примерно средней вытяжке полосы в целом. На концах полос вы­ тяжки для всех слоев по высоте сечения различны. Если не считать небольших участков у самих торцов величи­ ны вытяжек от некоторых наибольших значений в сече­ ниях, близких к торцам, уменьшаются до величин вы­ тяжек в установившемся процессе. Особенно важным при этом является то, что такое изменение величин вы­ тяжек по длине концов полос количественно неодинако­ вое для различных слоев полосы по ее высоте. В одина­ ковых вертикальных сечениях по длине концов полос во

63