Совершенствование технологии прокатки трамвайных желобчатых рельсов

Прокатка, как один из видов обработки металлов давлением, занимает важнейшее место в общем цикле металлургического производства. Через прокатные цехи проходит около трех четвертей всего выплавляемого металла и только одна четверть его потребляется для фасонного литья, ковки и прессования из слитков. Продукция прокатных цехов чрезвычайно разнообразна — от листов до сложнейших фасонных профилей. I.

Вопросы повышения эффективности производства в черной металлургии, коренного улучшения качества, энергои ресурсосбережения имеют важное практическое значение. Применительно к прокатному производству расширение сортамента, увеличение выпуска экономичных профилей проката и внедрение прогрессивных способов производства — главные направления в решении этих задач. Они могут быть успешно решены при разработке и практическом освоении новых технологических процессов прокатки. Прокатка в горячем состоянии является самым распространенным видом обработки металлов давлением и представляет собой технологический процесс, имеющий целью изменить форму металла и сообщить ему определенные свойства. Наряду с совершенствованием прокатных станов за счет рационального расположения клетей и их конструкций, расширение сортамента и освоение новых профилей, с предъявляемым к ним все более высоким требованиям, в современных условиях, невозможно без четкого понимание процесса течения металла в калибре, анализа его деформированного состояния — вот без чего нельзя грамотно построить прокатное дело.

Разработка основ теории прокатки была начата в середине XIX в., более 100 лет тому назад. Первой крупной теоретической работой, не потерявшей своего значения до настоящего времени, явилась статья С. Финка «Теория работы прокатки», опубликованная в 1874 г. Большой вклад в развитие и становление этой дисциплины внесен трудами отечественных ученых: И. А. Тиме, Р. Р. Тонкова, Н. С. Верещагина, А.Ф. Родзевича-Белевича, С. Н. Петрова,.

В.Е. Грум-Гржимайло, А. Ф. Головина, А. П. Виноградова, И. М. Павлова, С. И. Губкина, А. И. Целикова, А. Я. Хейна, А. П. Чекмарева, B.C. Смирнова, И. Я. Тарновского, В. Н. Выдрина, П. И. Полухина и многих других. [93, 94, 95, 96 и др.] Получили признание исследования зарубежных ученых: С. Финка, К. Кодрона, В. Тафеля, Э. Зибеля, Т. Кармана, С. Экелунда, В. Тринкса, В. Люега, А. Помпа, А. Падай, Э. Ороуона, Г. Форда, Р. Симса, М. Стоуна, А. Гелей, 3. Вусатовского и других. [89, 90, 91, 92 и др.].

Основные вопросы рассматриваемые в теории прокатки: изучение и формулировка условий захвата полосы прокатными валкамиопределение скорости относительного взаимного перемещения точек полосы и валков, а также других кинематических параметров прокаткиисследование соотношения между продольной и поперечной деформациями при заданной высотной деформации полосыанализ распределения напряжений и деформаций во всем объеме деформируемого телаопределение энергосиловых параметров процесса: силы прокатки, крутящих моментов на валках, расхода работы и мощности.

Современная теория прокатки интенсивно развивается, опираясь на достижения математики, физики, механика сплошной среды, металловедения и других фундаментальных наук. Для решения численных задач и математического моделирования все более широко применяют электронные вычислительные машины. Выводы теории прокатки используют при разработке оптимальных режимов деформации, конструирования оборудования и проектирования прокатных цехов.

Рельсы (англ. rails, множественное число от rail — рельс, от лат. regula — прямая палка, брусок, планка), стальные профилированные прокатные изделия в виде полоспредназначены для движения подвижного состава железных дорог и метрополитена, трамвая, локомотивов и вагонеток рудничного транспорта и монорельсовых дорог, крановых тележек, подъёмных кранов и др. передвижных, поворотных и вращающихся конструкций.

Первые металлические рельсы были изготовлены в Великобритании в 1767. В России чугунные рельсы для рудничных и заводских путей применены в 1788 (Александровский пушечный завод в Петрозаводске). Со 2-й половины 19 в. начали распространяться катаные стальные рельсы (в России изготовлялись на Путиловском и др. заводах). Предприятия современного прокатного производства выпускают рельсы из специальной рельсовой стали, химический состав которой определён государственным стандартом.

Рельсы для городских железных дорог (трамвайные желобчатые рельсы) относятся к специальным типам прокатываемых рельсов. Трамвайные рельсы производятся аналогично железнодорожным, но имеют желобчатый профиль, отличаются большей высотой и площадью поперечного сечения. Выпускают рельсы длиной 12,5 мпри укладке их обычно сваривают.

Новокузнецкий металлургический комбинат является ведущим производителем рельсовой продукции в России и единственным предприятием, выпускающим трамвайные рельсы.

Актуальность проблемы. Несмотря на большое разнообразие типов рельсов, применяемых в промышленности, методы их калибровки фактически одинаковы. Однако калибровка желобчатых рельсов, применяемых в основном для трамвайных путей, в отличие от обычных рельсов имеет свои особенности в формировании желоба.

В соответствии с особенностями профиля и технологическими возможностями рельсобалочного стана ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» в разработанной калибровке трамвайных рельсов типов Т62 и Т58 образование желоба и окончательное оформление профиля выполняется в двух последних калибрах. В предотделочном калибре с помощью вертикального ролика головка рельса разрезается на собственно головку и губу, причем основная масса металла идет на оформление головки, а формирование губы встречает значительные трудности, окончательное оформление головки и профиля в целом осуществляется в чистовом калибре.

Порядка 40% бракованных трамвайных рельсов и рельсов второго сорта связанно с оформлением головки профиля разрезными роликами предчистового и чистового калибров. Способ установки разрезного ролика в предчистовой клети достаточно сложен и трудоемок, происходит быстрый износ вкладышей разрезного ролика предчистового калибра и как следствие этого — остановка стана.

Исходя из сказанного, представляется актуальным совершенствование технологии прокатки трамвайных желобчатых рельсов на основе анализа деформированного состояния в существующих условиях рельсобалочного цеха ОАО «НКМК».

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса прокатки трамвайных рельсов на основе анализа деформированного состояния. Разработка и научное обоснование рекомендаций для совершенствования технологического процесса. Задачи исследования.

1. Анализ формоизменения металла при прокатке трамвайных рельсов в процессе разрезки головки профиля за один и два прохода.

2. Исследование деформированного состояния трамвайного рельса при разрезке головки профиля.

3. Теоретическое и экспериментальное определение усилия необходимого для разрезки головки рельса.

4. Разработка и внедрение новой технологии прокатки трамвайных рельсов.

Методы выполнения работы. Обобщение отечественного и зарубежного опыта модернизации технологии прокатки трамвайных рельсовлабораторные и промышленные экспериментальные исследованияэкспериментальное определение усилий на вертикальных разрезных роликах, с использованием метода тензометриистатистические методы обработки данныханализ формоизменения течения металла с построением изолиний деформации в зависимости от глубины внедрения и диаметра разрезного ролика.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Анализ формоизменения металла при прокатке трамвайных рельсов по существующей и предлагаемой технологии.

2. Исследование деформированного состояния трамвайного рельса при разрезке головки профиля в зависимости от диаметра и глубины внедрения разрезного ролика.

3. Силовые параметры прокатки трамвайных рельсов.

4. Разработка новой технологии прокатки трамвайных рельсов.

Научная новизна.

1. Получены новые научные знания по влиянию глубины внедрения и диаметра разрезного ролика на формоизменение трамвайного рельса при разрезке головки профиля.

2. Подучены математические зависимости по нахождению усилия разрезки головки рельса в зависимости от диаметра и глубины внедрения разрезного ролика.

3. Получены математические зависимости по распределению значений деформаций от поверхности к центральным слоям головки рельса при образовании желоба.

Практическая значимость.

1. Разработана новая технология прокатки трамвайных рельсов с образованием желоба за один проход в чистовом универсальном калибре.

2. Спроектирована новая конструкция кассеты универсального четырехвалкового калибра для прокатки трамвайных рельсов.

3. Предложена новая калибровка трамвайных рельсов.

4. Разработана новая конструкция чистового универсального четырехвалкового калибра.

5. Результаты исследований внедрены в технологический процесс прокатки трамвайных желобчатых рельсов в рельсобалочном цехе ОАО «НКМК».

Апробация работы. Основные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на сорок пятой научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «НКМК» (г. Новокузнецк, 2006 г.) — на пятой международной научно-технической конференции молодых специалистов на базе ГОУ ВПО СибГИУ (г. Новокузнецк, 2006 г.) — на шестой международной научно-технической конференции молодых специалистов на базе ОАО «ММК имени Ильича» (Украина, г. Мариуполь, 2006 г.) — на сорок шестой научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «НКМК» (г. Новокузнецк, 2007 г.) — на шестой международной научно-технической конференции молодых специалистов на базе ОАО «ЗСМК» (г. Новокузнецк, 2007 г.) — на седьмой международной научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ММК» (г. Магнитогорск, 2007 г.) — на семнадцатой научно-практической конференции по проблемам механики и машиностроения на базе ГОУ ВПО СибГИУ (г. Новокузнецк, 2007 г.).

Личный вклад. Предложена новая технология прокатки трамвайных рельсов на основе разрезки головки профиля за один проход в наклонном чистовом четырехвалковом калибре. Спроектирована новая кассета четырехвалкового калибра для чистовой универсальной клети «850» рельсобалочного цеха ОАО «НКМК». Подана заявка на изобретение кассеты универсальной четырехвалковой клети для прокатки трамвайных рельсов. Спроектирован универсальный четырехвалковый калибр для лабораторного стана дуо «175" — спроектирована матрица с оснасткой для получения заготовки имитирующая раскат предчистового калибра в масштабе 1:4. Проведены лабораторные эксперименты по исследованию деформированного состояния трамвайного рельса с построением изолиний деформаций. Получены математические зависимости по определению усилия разрезки головки трамвайных рельсов.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 научных работах, в том числе в 2 статьях в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских и кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 101 наименования и приложения. Общий объем работы — 222 страницы, содержит 78 — рисунков, 40— таблиц.

Вывод:

Рассчитывалось усилие разрезки головки профиля по существующей и по предлагаемой технологии. Установили что в существующей технологии усилия как в предчистовом, так и в чистовом калибре со стороны головки больше чем со стороны подошвы, что в свою очередь вызывает смещение верхнего горизонтального валка и это подтверждается в книге С. 198−200 «Разработка програссивных калибровок и технологий прокатки на станах Новокузнецкого металлургического комбината».

Произведен расчет энергосиловых параметров прокатки трамвайного рельса Т62 в чистовой универсальной клети с условием разрезки губы головки рельса только в чистовом калибре. Рассчитывалось необходимое усилие для разрезки губы головки рельса для существующего ролика (об50 мм) и для предлагаемого разрезного ролика меньшего диаметра (0325 мм). Из формулы усилия прокатки видно Р = Рср-Р, что одним из важных определяющих факторов усилия прокатки является площадь контактной поверхности (К), таким образом, уменьшая диаметр разрезного ролика, уменьшается площадь контактной поверхности, в результате чего усилие прокатки, необходимое для разрезки губы головки рельса, снижается с 0,86 МН до 0,68 МН, что составляет уменьшение усилия на 20,9%. Расположение чистового калибра под углом позволило высвободить дополнительные осевые усилия, препятствующие смещению верхнего горизонтального валка в сторону подошвы, а нижнего валка в сторону головки. В результате проведенной работы получили сбалансированный калибр по усилиям, что позволит рационально использовать энергию привода и предотвратить смещение горизонтальных валков.

4.1.9 Экспериментальное определение усилия разрезки головки рельса.

На гидравлическом прессе усилием 250 тс проводился замер усилия необходимого для образования желоба в зависимости от диаметра разрезного ролика и глубины внедрения. Схема по определению усилия представлена на рисунке 4.8.

На стол пресса устанавливали тензометр, как показано на рисунке 4.8, затем на тензометр укладывали стальную пластину с размерами 150×80×5, которая служит опорной поверхностью. На стальную пластину устанавливали свинцовый брусок с размерами 130×60×40, а на него устанавливался разрезной ролик 0120 мм, а потом 075 мм. Затем производили внедрение разрезного ролика в свинец с шагом 25, 50, 75 и 100% от глубины желоба. После каждого внедрения фиксировалось значение перемещения тензометрической штанги по динамометру (цена деления 0,01 мм), затем свинцовый брусок снимался с пресса, с помощью штангенциркуля (размер отсчета 0,1мм) линейкой глубиномера измерялась глубина внедрения ролика. Таким образом проводились замеры для двух роликов 0120 и 075.

Рисунок 4.8 — Схема по определению усилия необходимого для образования желоба в зависимости от диаметра разрезного ролика и глубины внедрения. 1 — пресс- 2 — тензометр- 3 — стальная пластина- 4 — свинцовый брусок- 5.

— разрезной ролик (0120 и 075) со.

5 § x P r s 5.

I I i a) с К s.

X 01 X ra x Д.

600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0.

График перемещения динамометра при разрезке желоба в зависимости от диаметра разрезного ролика и глубины внедрения.

X—ролик 120 мм.

О—ролик 75 мм — Экспоненциальный (- ролик 120 мм).

— Экспоненциальный.

— ролик 75 мм) у120 = 39.626е' R2 = 0.991.

0 2698Х.

3 4 5 6 7 8 глубина внедрения ролика, мм у75 = 9.3654е R2 = 0.9609.

4 088Х.

Рисунок 4.9 — График перемещения шкалы тензометра.

На рисунке 4.9 представлены графики перемещения индикатора динамометра в зависимости от диаметра разрезного ролика и глубины внедрения. По тарировочной кривой тензометра (рисунок 4.10), представленной в паспорте динамометра, определяли усилие необходимое для образования желоба в зависимости от глубины внедрения разрезного ролика.

Полученные значения усилий разрезки представлены в таблице 4.1. Таким образом, получили значения усилий при образовании желоба в свинцовой заготовке на гидравлическом прессе с помощью разрезных роликов 075 и 0120 мм. Но так как мы моделировали процесс прокатки, то значения усилия при прокатке будет соответствовать половине дуги контакта полученной на прессе. В таблице 4.1 в столбце «значения усилий» представлены половина от значений в скобках, которые получены от надавливания разрезным роликом и соответствуют дуге контакта при прокатке представленной на рисунке 3.59.

Тарировочная кривая тензометра.

X .Г о —.

— И I s.

— !

-—тарировочная кривая.

— ролик 120 мм.

9 ! 0 — ролик 75 мм.

X s у —.

Г" у — — s у.

У.

Ч: к.

О 100 200 300 400 500 600 ТОО 000 300 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1.

30 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2ЛЮ 20СЮ 2SOO ЭОСЮ 3100 3200 3303 3400 Э500 36СО 3700 3000 3000 ССО 4100 «00 4300 действительные перегрузки в кгс.

Рисунок 4.10 — Тарировочная кривая с отметками перемещений тензометра в зависимости от диаметра ролика.

Заключение

.

Диссертация посвящена совершенствованию технологии прокатки трамвайных желобчатых рельсов на основе анализа деформированного состояния, в которой впервые: получены новые научные знания по исследованию деформированного состояния трамвайного рельса при разрезки головки профиля в зависимости от глубины внедрения и диаметра разрезного роликаполучены математические зависимости по нахождению усилия разрезки головки рельса в зависимости от диаметра и глубины внедрения разрезного роликаполучены математические зависимости по распределению значений деформаций от поверхности к центральным слоям головки рельса при образовании желоба.

В данной работе представлены следующие решения:

1. Исследовано формоизменение металла при прокатке трамвайных желобчатых рельсовустановлено влияние на него диаметра и глубины внедрения разрезного ролика.

2. Получены различные параметры в виде изолиний деформаций и различных графиков зависимостей значений деформации от величины обжатия и диаметра разрезного ролика. Установлено что: при разрезке существующим и уменьшенным роликом наибольшую деформацию в направлении разрезки испытывают поверхностные слои ячеек желоба, причем величина деформации убывает от поверхности к внутренним слоям. За счет местной деформации металла наблюдается вынужденное уширение ячеек по границе желоба. Интенсивность деформации по оси желоба в поверхностных слоях при разрезке меньшим роликом больше на 18,8%, чем при разрезке большим и с увеличением обжатия интенсивность деформации монотонно возрастает. Уменьшение интенсивности деформации соответствует периферии желоба с меньшей величиной смещения узловых точек координатной сетки. Значения деформаций в поверхностных слоях, возникающие при разрезке разрезным роликом меньшего диаметра, больше на 10,3%, чем при образовании желоба большим роликом и с увеличением обжатия значения деформаций возрастают по прямолинейной зависимости.

3. Теоретически рассчитаны и экспериментально определены усилия необходимые для образования желоба в зависимости от диаметра и глубины внедрения разрезного ролика. Установлено что усилие прокатки с использованием разрезного ролика меньшего диаметра уменьшается по расчетным данным на 20,9%, по экспериментальным на 25,3% .

4. Предложена новая технология прокатки трамвайных рельсов, которая дает следующие преимущества:

— разрезка головки рельса осуществляется только в чистовом калибре;

— уменьшается количество рельсовых калибров, отсутствует необходимость в использовании предчистового калибра, в котором осуществлялась предварительная разрезка губы;

— уменьшается момент прокатки на 47,3%, обеспечиваемое за счет уменьшения диаметра разрезного ролика в два раза;

— уменьшается время простоя стана, при перевалке валков предчистовой клети, за счет настройки и ремонта разрезного ролика предчистового калибра;

— отсутствует необходимость в затратах, связанных с изготовлением и ремонтом приспособлений для разрезного ролика предчистовой клети;

— применение новой технологии прокатки позволяет сократить количество бракованных рельсов и рельсов второго сорта на 40%;

— улучшаются условия захвата раската;

— повышается качество геометрии поверхности рельса;

— сокращается время, необходимое для прокатки рельса и увеличивается производительность стана.

5. На основе проведенных исследований была спроектирована, изготовлена и внедрена в технологию новая конструкция разрезного приспособления.

В результате проведенных исследований были получены новые, ранее не существующие, научные знания о деформированном состоянии трамвайных желобчатых рельсов, выведены уравнения зависимостей усилия необходимого для образования желоба в зависимости от диаметра разрезного ролика и глубины его внедрения, предложена новая технология прокатки трамвайных желобчатых рельсов. На основании новых данных полученных в результате исследований в приведенной работе можно усовершенствовать существующие и прогнозировать новые технологии прокатки аналогичных профилей.