Классификация процессов прокатки

Процесс прокатки, как один из видов ОМД, отличается множеством различных способов деформации металла. Прокатка по расположению осей валков разделяется на 3 вида:

1. Продольная прокатка

2. Поперечная прокатка

3. Винтовая прокатка

Рисунок 3. Схема поперечной и продольной прокатки

Поперечная прокатка отличается тем, что оси валков и заготовки параллельны. Валки вращаются в одну сторону, а заготовка в другую. При помощи данного вида прокатки изготавливают оси, валы и др.

Винтовая прокатка характеризуется рассоложенными под углом осями. Эта прокатка осуществляется следующим образом: валки вращаются в одну сторону, а заготовка вращается в другую сторону, совершая поступательно – вращательное движение. Обеспечивается некоторое разрыхление металла перед оправкой благодаря скалывающим напряжениям. Полученная гильза предназначена для последующей прошивки труб.

Рисунок 4. Схема винтовой прокатки

Также существуют специальные виды прокатки. Рассмотрим некоторые из них.

Существует шаговая или пилигримовая прокатка. Осуществляется в валках, вращающихся в противоположном направлении, по отношению к подаваемой заготовки. Валок имеет ручьи, которые при вращении образуют калибр переменных размеров. Пилигримовая прокатка характерна сочетанием процесса прокатки и ковки.

Рисунок 5. Схема пилигримовой прокатки

Схема изображенная на рисунке 5 включает в себя:

1,2 – валки

3 – оправка или дорн

4 – заготовка

5 –

Постепенно заготовка на оправке подеется в очаг деформации, вращающиеся валки переменного калибра обжимают определенную часть заготовки и вытягивают ее.

Захват раската валками

Прокатка как вид ОМД основывается на взаимодействии сил трения. Благодаря взаимодействию сил трения с металлом осуществляется захват, а также дальнейшая прокатка полосы. Хотя в некоторых случаях трение является вредным фактором, например волочение.

Естественный захват происходит тогда, когда скорость движения заготовки равна горизонтальной проекции окружной скорости валков.

Процесс захвата обеспечивается при условии когда:

При условии естественного захвата

и - коэффициент и угол трения при захвате

Установившийся процесс прокатки

Установившийся процесс прокатки характерен заполнением очага деформации металлом и выходом обработанной полосы из деформационной зоны.

Контактное трение при прокатке

Трение при прокатке играет исключительно важную роль. Трение обеспечивает существование прокатки как вида ОМД. Трение обеспечивает качество прокатываемой продукции. Обеспечивает выкатываемость полос при высоких технико-экономических показателях. Трение изменяется в широких пределах и зависит от различных факторов:

1. Температура прокатки

2. Скорость прокатки или окружная скорость валков

3. Природа металла и состав прокатываемой стали

4. Материал и твердость поверхности валков

5. Состояние поверхности валков

6. Технологическая смазка

В общем параметрическом виде, коэффициент трения равен:

, где

- коэффициент, учитывающий влияние температуры

- коэффициент, учитывающий твердость поверхности и материал валков

- коэффициент, учитывающий количество углерода в стали

- коэффициент, учитывающий влияние скорости прокатки

- коэффициент, учитывающий состояние поверхности валков

- коэффициент вида смазки

- коэффициент трения при установившемся процессе прокатки.

Одна из первых эмпирических зависимостей определения коэффициента трения была предложена Экелундом.

K=1 – при стальных валках

К=0,8 – при чугунных валках

Диапазон температур, в котором можно пользоваться формулой – (700 – 1200^О С)

Формула Павлова и Гета для среднеуглеродистых сталей

Формула Чекмарева

Данная формула учитывает скорость прокатки, угол захвата полосы и температуру прокатки.

Влияние температуры на коэффициент трения

Рисунок 5. Зависимость коэффициента трения от температуры

1-низкоуглеродистая сталь, 2-медь, 3 – среднеуглеродистая сталь

Многочисленными исследованиями установлено, что при достижении высокой температуры окислы на металле становятся вязкими и пластичными и играют роль технологической смазки. Формула Экелунда показывет характер изменения коэффициента трения в диапазоне температур 700 – 1200^О С.

Влияние скорости прокатки на коэффициент трения

С увеличением скорости прокатки снижается коэффициент трения и ухудшаются условия захвата.

Рисунок 6. Угол захвата и коэффициент трения.

1,2 – в стальных валках с насечкой (1) и без (2), 3 – прокатка на гладкой бочке в валках блюминга.

При горячей прокатке влияние состояния поверхности валков зависит от микрорельефа поверхности валков, с увеличением скорости прокатки, при более высоких скоростях коэффициент трения монотонно уменьшается в зависимости от скорости прокатки ( данное явление исследовано на кафедре ОМД ПГТУ ).

Рисунок 7. Влияние скорости прокатки на f с учетом технологичеких смазок

Зависимость приведення выше получена при исследовании образцов из низкоуглеродистой стали размерами 125х50мм, с использованием различных технологических смазок, с обжатием 15%.

1 – Генрекс – 26

2 – Индустриальное масло 20

3 – Эмульсия КОС

4 – Эмульсия АС-20

Совместное влияние скорости прокатки и технологической смазки называется смазочно-скоростным эффектом.

Влияние химического состава прокатываемой стали на коэффициент трения

Экспериментальным исследованием показано что содержание углерода в стали уменьшает коэффициент трения. Это явление связано с увеличением твердости стали при высоком содержании углерода.

Рисунок 8. Зависимость коэффициента трения от содержания углерода в стали.

Если прокатывается сталь с высоким содержанием углерода , а следовательно и с высокой прочностью, то явление прилипания металла к валкам практически отсутствует , что приводит к снижению коэффициента трения.

Влияние материала и твердости рабочих валков на коэффициент трения

Чем выше твердость рабочих валков, тем меньше коэффициент трения по той же причине, что и в предыдущем случае.

Коэффициент трения в зависимости от твердости валков при горячей прокатке низкоуглеродистой стали.

Влияние состояния поверхности рабочих валков

Поверхность валков образуется после обработки резанием. После этого для обработки валков обжимных станов может создаваться грубая насечка или проводится наварка. Делается это для облегчения процесса захвата и сокращения проходов.

Валки листовых станов подвергаются обработке шлифованием, а наиболее качественные – полировке.

Многочисленными исследованиями на практике установлены допустимые углы захвата при различных видах прокатки ( таблица 1 )

Влияние технологической смазки

Технологическая смазки впервые применили при холодной прокатке и получили высшее качество и производительность. В современные годы технологическая смазка внедряется и при горячей прокатке. При горячей прокатке смазка уменьшает износ валков, улучшает качество прокатки. Все это происходит благодаря снижению влияния сил трения. При прокатке может применяться смазка трех агрегатных состояний: твердая (в виде брикетов, стержней), пластичные или консистентные смазки (солидол), жидкие смазки (различные масла и эмульсии).

Таблица 1

Условия прокатки	Угол захвата в градусах	Угол захвата в радианах
Горячая прокатка с насечкой валков при малой скорости	27 – 34	0,47 – 0,59
Горячая прокатка без насечки	22 – 24	0,38 – 0,42
Горячая прокатка в гладких валках без насечки	15 – 22	0,26 – 0,38
Холодная прокатка в шероховатых валках	5 – 8	0,09 – 0,11
Холодная прокатка в шлифованных валках	3 – 4	0,05 – 0,07

Влияние технологической смазки

При использовании технологической смазки при холодной прокатке получают высокое качество проката и производительность. В наше время использование технологической смазки внедряется и при горячей прокатке. При горячей прокатке смазка уменьшает износ валков, улучшает качество проката. Все эти явления происходят благодаря особым условиям трения в очаге деформации при использовании технологических смазок. При прокатке могут применятся смазки трех агрегатных состояний: твердые ( виде брикетов, стержней ), пластические или консистентные смазки ( солидол ), жидкие смазки ( различные эмульсии на базе растительных и минеральных масел с добавлением ПАВ ).

На основании обработанных результатов исследований всех видов смазки, полученных на кафедре ОМД на высокоскоростном стане 300, была получена следующая математическая модель:

;

- коэффициент состояния поверхности валков;

- коэффициент влияния химического состава стали;

- коэффициент вида смазки;

- толщина смазочного слоя в пределах 5 – 15 мкм;

=0,24 – 0,70 – для твердых смазок;

=0,50 – 0,80 – для пластичных смазок;

= 0,40 – 0, 90 – для жидких смазок.

НЕКОТОРЫЕ УСЛОВИЯ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ТЕОРИИ ПРОКАТКИ

В теории прокатки некоторые процессы несколько идеализированы. Для идеализированных процессов разрабатываются математические модели, которые позволяют теоретически исследовать различные виды прокатки.

Ниже приведены некоторые условия идеализации:

1. Валки одинаково диаметра, вращение их постоянное. Состояние поверхности – однородное.

2. Заготовка принята сплошной массой, несжимаемая, имеющая одинаковые физико-механические свойства, масса и объем одинаковы.

К идеализированным условиям процесс приводится при помощи упрощений, а к конкретным условия – при помощи различных коэффициентов приведения.

Гипотезы теории прокатки

1. Гипотеза скольжения или двухзонного очага деформации. Гипотеза плоских сечений.

2. Гипотеза прилипания или трехзонного очага деформации.

3. Гипотеза пути наименьшего сопротивления или четырехзонного очага деформации.

Гипотеза скольжения

На практике замечено, что процесс продольной прокатки осуществляется при различных скоростных условиях. Скорость раската больше окружной скорости валков.

Было замечено, что в очаге деформации есть переход от меньшей в начале и большей на выходе. Следовательно существует некоторое нейтральное сечение, скорость которого:

Кроме того было замечено, что пластическая деформация выходит за пределы очага деформации и продолжается вне его. Участки раската, где нет пластической деформации, в теории прокатки, называются жесткие концы.

Рисунок. Схема двухзонного очага деформации и эпюры скоростей.

1 – задний жесткий конец, 2 – передний жесткий конец.

- угол нейтрального сечения, делит очаг деформации на две части. Является энергетическим барьером, разделяющим энергию на активную, в зоне опережения, и пассивную, в зоне отставания.

Рисунок. Схема двухзонного очага деформации.

Для определения нейтрального угла на рисунке выбираем элементарную точку, на которую действует элементарное давление валков на металл dP, а также сила трения dT. φ – переменный угол в очаге деформации, dφ – элементарный угол в очаге. Из условия равновесия составляющих сил в очаге деформации мы будем определять нейтральный угол по методике Экелунда-Павлова.

, где

- переменное давление в очаге деформации;

- переменная ширина в очаге деформации;

- радиус валков;

- элементарная дуга в очаге.

, где

f – Коэффициент трения.

Проектируя сил на ось ординат, получим:

После этого производится интегрирование, и получают уравнение равновесия.

;

.

Используем некоторые упрощения:

=;

=;

f = const.

Преобразуем:

Используя тригонометрические уравнения, упростим:

Из полученного выше выражения видно, что:

1. С увеличением коэффициента трения и угла трения β нейтральный угол увеличивается и наоборот.

2. Зависимость нейтрального угла от угла контакта имеет сложный характер. С увеличением угла контакта уменьшается второй сомножитель. С другой стороны нейтральный угол стремится к 0 при

Рисунок. Зависимость нейтрального угла от угла контакта