Исследование напряженного состояния в очаге деформации на установке совмещенного литья и деформации стальных листов : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.02.09

Актуальность темы исследования
За рубежом ведутся работы по созданию эффективных технологий и оборудования для производства широких стальных листов на основе литейно- прокатных агрегатов и комплексов [1-3]. При этом важной задачей является уменьшение расхода энергии и удельных капиталовложений. Однако валковые агрегаты имеют низкую производительность, степень деформации полосы не превышает 10-15 %, что не обеспечивает получение высоких механических свойств стальных листов [4-10].
Для решения изложенных выше проблем производства стальных листов для сварных труб целесообразно использовать установку непрерывного литья и деформации, технологические возможности которой предусматривают отливку тонких слябов и их обжатие за один проход и в заданном узком температурном интервале, что позволит существенно снизить энергозатраты и улучшить качество листов из стали для изготовления сварных труб [11-25, 32-34, 36, 37, 79, 80].
Основной проблемой, возникающей при обжатии непрерывнолитых слябов при толстолистовой прокатке, является неравномерность деформации по толщине крупного сляба, которая приводит к получению неоднородной структуры металла, образованию ликвационных зон в осевой зоне и снижению механических свойств стальных листов для изготовления сварных труб [39-41, 43-50]. В результате интенсификации производства стальных листов и повышения требований, предъявляемых к механическим свойствам и состоянию поверхности стальных листов, значительно возрастает нагруженность бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации и требования к качеству их поверхности. Условия эксплуатации бойков установки выдвинули ряд существенных требований по обеспечению их стойкости. Таким образом, актуальной задачей для повышения стойкости
бойков, которые одновременно воспринимают усилия обжатия и 5
температурную нагрузку, является обоснованный выбор их конструктивных параметров и материала.
Степень разработанности проблемы
При разработке конструкции и выборе материала бойка важно учитывать нагруженность и реальные условия эксплуатации бойков установки. В связи с этим очень важно оценить НДС металла в очаге циклической деформации, что позволит установить нагруженность бойков. При этом также целесообразно определить напряженное состояние бойков установки от температурной нагрузки и усилия обжатия при получении стальных листов для сварных труб. Это позволит более обоснованно выбирать конструктивные параметры и материал бойков установки с целью повышения их стойкости.
В работах [24, 32, 34] даны результаты расчета температурного поля и термоупругого напряженного состояния бойков установки с учетом каналов для охлаждения бойков при получении стальных листов. Установлено, что каналы в бойках являются концентраторами напряжений, которые приводят к существенному увеличению напряжений в бойках как от усилия обжатия, так и температурной нагрузки. В связи с этим в диссертации выполнен расчет напряженного состояния бойков без каналов для их охлаждения.
Цель диссертационного исследования: с использованием современных методов решения задач упруго-пластичности определить напряженно-деформированное состояние системы бойки-полоса при получении листов из стали на установке, для повышения стойкости бойков разработать рекомендации по выбору их конструктивных параметров и материала, а также исследовать температурный режим работы бойков опытной установки ОАО «Уральский трубный завод».
Задачи диссертационного исследования:
– определить закономерности распределения осевых напряжений в очаге циклической деформации и нагруженность бойков установки при получении стальных листов толщиной 3 мм и шириной 2250 мм;
6

– установить закономерности распределения осевых и эквивалентных напряжений в бойках без каналов установки от усилия обжатия;
– установить закономерности распределения в бойках без каналов температуры и осевых термоупругих и эквивалентных напряжений при обжатии сляба и на холостом ходу;
– установить зависимость осевых термоупругих напряжений в бойках от температуры их контактной поверхности;
– установить закономерности распределения суммарных напряжений в бойках без каналов от усилия обжатия сляба и температурной нагрузки;
– выполнить сравнительный анализ напряженного состояния бойков различного конструктивного исполнения;
– провести освоение опытной установки ОАО «Уральский трубный завод» и выполнить исследование температурного режима работы бойков.
Методология и методы исследования
Методы моделирования методом конечных элементов напряженно- деформированного состояния металла в очаге деформации и напряжений в бойках установки в пакете ANSYS.
Научную новизну и теоретическую ценность представляют следующие разработки диссертации:
– установлены закономерности распределения осевых напряжений в очаге циклической деформации тонкого сляба с учетом силы его вытягивания из кристаллизатора установки при получении стальных листов толщиной 3 мм и шириной 2250 мм;
– установлены закономерности распределения осевых и эквивалентных напряжений в бойках без каналов установки от усилия обжатия сляба;
– установлены закономерности распределения температуры, а также осевых и эквивалентных термоупругих напряжений в бойках без каналов при обжатии сляба и на холостом ходу;
– установлена зависимость осевых термоупругих напряжений в бойках
без каналов установки от температуры их контактной поверхности; 7

– определено суммарное поле напряжений в бойках без каналов установки от температурной нагрузки и усилия обжатия сляба.
Практическую значимость диссертации составляют:
– оценка схемы напряженного состояния металла при обжатии тонкого сляба и определение нагруженности бойков установки;
– результаты расчета температурных полей и суммарных напряжений в бойках без каналов установки и рекомендации по выбору конструктивных параметров и материала бойков;
– результаты освоения и исследования температурного режима работы бойков опытной установки ОАО «Уральский трубный завод».
Установка непрерывного литья и деформации для производства листов из стали толщиной 3-22 мм и шириной до 2150 мм для сварных труб принята к внедрению на ОАО «Уральский трубный завод».
На защиту выносятся:
– результаты расчета НДС металла в очаге циклической деформации с учетом силы вытягивания сляба из кристаллизатора и нагруженности бойков без каналов установки при получении листов толщиной 3 мм и шириной 2250 мм;
– результаты расчета напряженного состояния бойков без каналов установки от усилия обжатия сляба;
– результаты расчета температурных полей, осевых и эквивалентных термоупругих и суммарных напряжений в бойках без каналов установки при обжатии сляба и на холостом ходу;
– результаты сравнительного анализа напряженного состояния бойков различного конструктивного исполнения;
– результаты освоения и исследования температурного режима работы бойков опытной установки литья и деформации ОАО «Уральский трубный завод».
Достоверность полученных в диссертации результатов
подтверждается применением современных методов расчета НДС металла в 8

очаге циклической деформации, напряжений в бойках от усилия обжатия и температурной нагрузки, а также результатами разработки и освоения опытной установки ОАО «Уральский трубный завод».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XXI Международная научно-техническая конференция «Приоритетные направления развития науки и технологий» (г. Тула, 2017); Х Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2017); XI Международный конгресс прокатчиков (г. Магнитогорск, 2017).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 печатных трудах, в том числе в 9 рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и изложена на 153 страницах машинописного текста, включая 80 рисунков, 21 таблицу и библиографический список из 84 наименований.