Исследование процесса и разработка способа резки тонких полос из трансформаторных сталей

В металлургии электротехнических сталей разработка и освоение технологии производства холоднокатаной тек-стурованной трансформаторной стали являются задачей первостепенной важности.

В процессе производства холоднокатаную трансформаторную сталь подвергают обработке давлением, как в горячем, так и в холодном состоянии.

Горячую прокатку полос осуществляют на непрерывных или полунепрерывных полосовых станах по определенному температурно-скоростному режиму и при оптимальных энергосиловых параметрах, обеспечивающих наиболее благоприятные значения напряжений сжатия и растяжения в обрабатываемом металле, условия сохранения сплошности металла при обработке и формировании структуры.

Холодную прокатку отожженных или горячекатаных полос после травления в серной или соляной кислоте проводят на непрерывных, одноклетевых станах в один или несколько переделов.

Холоднокатаная электротехническая листовая сталь применяется для изготовления деталей, подвергающихся перемагничиванию (сердечники трансформаторов, включая и измерительные трансформаторы, индукционные регуляторы, дроссельные катушки и др.) .

Трансформаторная сталь, полученная холодной прокаткой, имеет значительно меньшие удельные потери на гистерезис и вихревые токи по сравнению с горячекатаной трансформаторной сталью. Характерной особенностью холоднокатаной стали является наличие текстуры, в результате которой металл имеет различие свойств в направлениях вдоль и поперек прокатки. Удельные потери в направлении прокатки обычно значительно меньше, а магнитная индукция больше по сравнению со свойствами в поперечном направлении к оси прокатки [1].

Холоднокатаная трансформаторная сталь является одним из лучших магнитномягких материалов для электротехнической промышленности. Её производят в виде листов и полос, смотанных в рулоны. При производстве рулонной стали появляется возможность механизировать и автоматизировать поточное производство на металлургических и электромашиностроительных заводах.

В связи с всё большим развитием производства холоднокатаной трансформаторной стали необходимость всестороннего изучения и обобщения производственных и опытных данных, связанных с процессами при обработке трансформаторной стали как в горячем, так и в холодном состоянии, является очевидной.

При прокатке на холоднокатаном металле часто образуются различные дефекты листа [2]: трещины, подрывы, рванины, плены и т. д. Эти нарушения сплошности чаще всего располагаются на поверхности металла.

Нарушения сплошности образуются по различным причинам. Некоторые из них имеют своей основой дефекты исходного металла — слитков. Причиной образования других являются условия нагрёва, охлаждения и некоторые особенности ведения процесса горячей прокатки. Подобные дефекты в ряде случаев образуются и по причинам непосредственно связанным с самой деформацией. В этом убеждает тот факт, что образуются они при достижении определенной степени деформации, различной для разных случаев. Можно выделить два характерных вида нарушения сплошности полосового металла, вызываемых деформацией. При достижении предела пластичности материала полосы в одном случае нарушение сплошности происходит по верхней и нижней плоскостям прокатываемого металла (плена, рванины), в другом — по кромке («пила», надрывы).

Остановимся на случае нарушения сплошности по кромке. Рванины и трещины по кромке являются одними из распространенных дефектов холоднокатаного металла при первой холодной прокатке в цехе холодной прокатки трансформаторной стали Верх-Исетского металлургического завода. При такой обработке велики потери металла: в линии непрерывно-травильного агрегата на дисковых ножах кромку подрезают до ширины полосы 83 0 мм. Расходный коэффициент равен 1,084, т. е. на каждую тонну горячекатаного металла 84 кг уходит в брак. Затем, после первой холодной прокатки на четырехвлковом четырехклетевом стане 1300, на агрегате перемотки рулонов № 1 снова идет подрезка металла до ширины 8 00 мм — расходный коэффициент равен 1,038, с каждой тонны металла в отходы уходит 38 кг. Зная, сколько тонн горячекатаного металла в год обрабатывается в цехе холодной прокатки, не трудно подсчитать и годовые отходы, получаемые только за счет кромки.

Исследования причин образования рванин по кромке холоднокатаного металла проводились по следующим направлениям :

1. Пеометрия горячекатаного подката. В некоторых источниках [3,4,5,6,7] указывается на то, что при прокатке малопластичного металла большое значение имеет его форма, поскольку в зависимости от формы сечения, подвергаемого деформации, изменяется величина и знак напряжений, вызывающих нарушение сплошности. Поэтому изучалось влияние формы исходного сечения подката на образование дефектов.

Из поставленного в цех холодной прокатки горячекатаного подката на 3−5 стендовых партиях отбирались пробы с маркировкой кромок полос. Пробы брались до травления от переднего и заднего концов укрупненных рулонов и после травления и обрезки кромок. Так же пробы брались от промежуточной толщины, после первой холодной прокатки от концов рулонов до и после подрезки кромок. Замеры толщины производились на пробах через 10 мм на расстоянии 100−150 мм от кромок и максимальное значение в середине полосы.

В результате измерений было выявлено:

— полосы горячекатаного подката у кромок имеют так называемый «краевой клин»;

— «краевой клин» сохранялся после первой холодной прокатки.

Затем в лабораторных условиях пытались промоделировать прокатку на стане 1300 и изучить влияние «краевого клина» на образование дефектов. Для этого изготавливались образцы h=2,5 мм с «краевым клином» и прокатывались до толщины 0,7 мм. На всех изготовленных образцах после прокатки образовались рванины вдоль кромок.

Другими словами, дефект горячей прокатки можно предотвратить собственно до горячей прокатки, а на переделе холодной прокатки «краевой клин» можно лишь фиксировать и пытаться уменьшить его влияние на последующую обработку.

2. Следующая причина образования рванин была выявлена в ходе визуальной оценки качества кромок на всех стадиях. Обнаружено, что при подрезке кромок после стадиях. Обнаружено, что при подрезке кромок после травления, ввиду плохого качества реза, на кромке подката образуется заусенец величиной до 1 мм (местами, отдельными участками до 2 мм) .

С поступившего в цех металла были взяты пробы с заусенцем по кромке. Затем пробы обрабатывались таким образом, что с одной стороны заусенец после подрезки снимался полностью. После прокатки проб, кромки визуально оценивались. Оказалось, что кромка с удаленным заусенцем оказалась ровной, а на другой (с наличием заусенца) образовался дефект «пила».

Качество кромок реза четко может быть показано на рулоне, специально порезанном ступеньками. Для этой цели агрегат продольной резки был специально остановлен после нескольких метров. Ножи были автоматически раздвинуты в сторону, а затем возвращены на заранее выбранную новую ширину, включая режущий зазор и перекрытие. Расширение обрезанных кромок в направлении поперечного сечения показывает, что в зависимости от толщины полосы зона чистой резки располагается в пределах от 2 6 до 2 9% толщины полосы. Остальная часть обламывается .

Цель дальнейших исследований — обеспечить требуемое качество кромки полосы в потоке при обрезке кромок после непрерывно-травильного агрегата и, по возможности, исключить промежуточное обрезание кромок между прокат-ками.

В данной диссертационной работе представлены основные положения проведенного автором теоретического и экспериментального исследования способов и механизмов резки полос, направленного на изыскание путей создания новых процессов резки полос, реализующих безотходную и непрерывную технологию резки с требуемыми показателями качества, выработку практических рекомендаций по их эксплуатации, разработку и создание оригинальных конструкций механизмов.

В первой главе диссертационной работы проведен подробный анализ существующих способов и конструкций механизмов отделения кромок и роспуска полосового металла.

Приведена оценка полезности конкретных способов и механизмов в условиях работы цехов холодной прокатки. В целях полноты изучения вопроса к анализу привлечены данные исследований в области разделительных операций. Представлены существующие виды рациональных способов резки, выделены факторы, влияющие на качество поверхности реза. Дан анализ известных теоретических исследований процессов резки листового проката.

Вторая глава диссертационной работы посвящена изучению процесса резки полосы дисковыми ножами по способу «контррезания», построению соответствующей математической модели процесса.

Выполненные решения позволяют судить не только о величине деформирующего усилия, но и о локальных явлениях на границе «нож-металл», учет которых является обязательным при конструировании инструмента. В результате исследования получены расчетные зависимости для определения усилия надрезания полосы и усилий в операциях резки полос. Определены значения контактных давлений вдоль рабочей поверхности инструмента в зависимости от глубины внедрения ножа и величины затупления режущих кромок ножей. Знание величин контактных давлений в области, прилегающей к режущей кромке ножа, позволило теоретически объяснить причину выхода ножей из строя и обосновать выбор материала ножей.

В большинстве случаев известных операций резки окончательное разделение сечения проката происходит в результате возникновения и распространения разрушающей трещины. Оценка глубины проникания граней дискового ножа в металл к моменту начала разрушения позволяет правильно выбирать параметры процесса и инструмента.

При выборе геометрических размеров дисковых ножей с позиций разрушения получают наименее энергоемкие параметры процесса и наилучшие, в условиях рассматриваемого процесса, показатели качества. Также установлены предельные значения показателя затупления ножей в зависимости от величин предела прочности и толщины разрезаемого металла. Для процесса резки путем приложения к полосе знакопеременной нагрузки установили возможность использования критериев малоцикловой усталости применительно к операциям резки. Дана оценка количественного влияния каждого параметра процесса на скорость операции реза. Получены уравнения для расчета скорости операции резки.

В третьей главе приведены результаты исследования механизма разрушения металла при резке способом «контррезания». Проведен параметрический анализ процесса резки способом «контррезания» и расчет по выведенным во второй главе уравнениям. Оценена погрешность расчета по полученным уравнениям.

Проведено сравнение результатов расчетов по новой методике и опытных данных. Показана хорошая сходимость результатов расчета и эксперимента. Подтверждена правильность принятых теоретических моделей. Даны рекомендации по выбору коэффициентов этих моделей.

Методика и результаты экспериментальных исследований представлены в четвертой главе. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили выбрать рациональные параметры механизма резки. Также показана практическая реализация результатов исследований, проведенных автором, направленных на создание опытно-промышленных установок для резки полос и выработку на основании опытно-промышленных испытаний рекомендаций по промышленному проектированию.

В ходе опытной проверки механизма отрезки кромок полос по способу «контррезания» показана надежность его работы, хорошая стойкость инструмента и удовлетворительные показатели качества реза.

Научная новизна диссертации. Установлены рациональные процессы резки, применительно к указанным условиям. Для выбора эксплуатационных параметров процесса резки создана методика расчета усилий резки и определены величины контактных давлений вдоль границ режущей кромки при разрезании тонких полос. Получены зависимости для определения глубины проникания дискового ножа в металл к моменту разрушения, а также для определения скорости и продолжительности процесса резки полосы в условиях знакопеременного нагружения с одновременным надрезом в плоскости разрушения. Полученные результаты экспериментального исследования нового процесса резки металла в два этапа по принципу «контррезания» и механизма резки подтверждают адекватность выбора теоретической модели.

На защиту выносятся:

1. результаты разработок по созданию нового метода и конструкции механизма резки полос из трансформаторных сталей по способу «контррезания»;

2. теоретическое исследование процесса резки полосы способом «контррезания», теоретический расчет нового процесса резки, определение оптимальных геометрических характеристик инструмента;

3. результаты экспериментальных исследований нового процесса, подтверждающих справедливость теоретических' расчетов.

Автор выражает благодарность сотрудникам ООО «ВИЗ-Сталь». Начальнику лаборатории прокатки Георгию Викторовичу Быкову за помощь в сборе и обработке исходного материала для диссертации. Начальнику лаборатории высокопроницаемых сталей кандидату физико-математических наук Михаилу Львовичу Лобанову за консультации по структуре и свойствам трансформаторных сталей. Начальнику цеха холодной прокатки Михаилу Борисовичу Мельникову за предоставленную возможность проведения экспериментов на действующем оборудовании.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук Владимиру Сергеевичу Паршину за неоценимые советы и замечания при написании диссертации. Также автор благодарен всему коллективу кафедры «Металлургические машины и оборудование» за моральную поддержку.

ВЫВОДЫ.

1. Теоретическое описание процесса резки дисковыми ножами позволило создать новую конструкцию узла резки, что служит основой для проектирования и создания механизма обрезки боковых кромок полос из трансформаторных сталей.

2. На основании теоретических и экспериментальных исследований создан новый механизм резки полос без образования заусенца, с благоприятным профилем для последующей обработки на прокатном стане.

3. Даны рекомендации по уменьшению исключению дефекта «пила по кромкам» на основных переделах производства трансформаторной стали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполнено исследование процессов и механизмов резки полосового проката. Дана оценка полезности известных решений применительно к условиям работы цехов холодной прокатки трансформаторной стали. Проведены теоретические исследования по определению параметров резки полос дисковыми ножами. Получено экспериментальное подтверждение теоретических решений.

Проведенные исследования послужили основой для разработки и создания нового метода и конструкции механизма резки полос в непрерывных агрегатах обработки.

Изучение и анализ существующих на сегодняшний день процессов и механизмов резки полос в непрерывных агрегатах цехов холодной прокатки позволили выделить первостепенные задачи совершенствования механизмов резки.

Теоретическое описание процесса отрезания кромки полосы дисковыми ножами позволило создать новую рациональную конструкцию дисковых ножниц для резки способом «контррезания», определить параметры этого процесса и инструмента, обеспечивающие наилучшие показатели качества при наименьших усилиях, послужило основой для проектирования и создания механизма резки полос в непрерывном агрегате.

Опытные испытания созданных при участии автора механизмов, показали надежность их работы, хорошую стойкость инструмента и повышенное качество отрезаемых кромок полос. Это подтверждено актом, представленном в приложении 3, о проведении испытаний в цехе холодной прокатки ООО «ВИЗ-Сталь».