Исследование напряженно-деформированного состояния процесса листовой прокатки трансформаторной стали с учетом анизотропии свойств : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.05

Актуальность темы исследования. Электротехническая анизотропная сталь (ЭАС) или трансформаторная сталь представляет собой кремнистую, холоднокатаную сталь, которая обладает уникальными магнитными свойствами вдоль направления прокатки, что обусловлено наличием в ней «ребровой» текстуры вторичной рекристаллизации {110}<001> (текстуры Госса). Данный материал главным образом используется в производстве магнитопроводов и магнитоактивных частей разнообразных электротехнических устройств, поэтому качество данного материала во многом определяет эффективность функционирования энергетической отрасли в целом. Постоянное ужесточение требований потребителей трансформаторной стали к её качеству и усиление конкуренции на мировом рынке электротехнических сталей предопределяет необходимость выполнения отечественными производителями исследовательских работ по анализу существующего производственного процесса и рационализации режимов обработки.
В связи с вышесказанным является актуальной задачей исследование напряжённо-деформированного состояния процесса листовой прокатки трансформаторной стали.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время в области обработки металлов давлением наиболее обоснованно и полно выполнено решение краевых задач пластической деформации изотропных материалов. Менее изученными являются процессы деформации анизотропных материалов, к которым относятся многие магнитомягкие материалы, в том числе прокат из трансформаторной стали.
В настоящей работе выполнено решение краевой задачи механики обработки металлов давлением для процесса холодной прокатки трансформаторной стали. Исследование выполнено для материала, обладающего анизотропией механических свойств. На основе полученных
5
данных выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния и энергосиловых параметров процесса холодной листовой прокатки трансформаторной стали для условий реального производства, уточнены связи режимов обработки с физико-механическими свойствами готовой продукции.
Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния процесса холодной прокатки электротехнической анизотропной стали и его влияния на энергосиловые параметры и геометрические характеристики листового проката.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
 Исследовать механические свойства электротехнической анизотропной стали.
 Осуществить постановку и решение краевой задачи, описывающей кинематику и напряжённо-деформированное состояние очага деформации для процесса тонколистовой холодной прокатки трансформаторной стали в изотропном и анизотропном состоянии.
 На основании полученных данных разработать математическую модель расчёта энергосиловых параметров тонколистовой холодной прокатки трансформаторной стали, адаптированную для условий промышленной прокатки.
 Выполнить анализ действующих промышленных процессов обработки проката из трансформаторной стали и разработать технологические мероприятия по совершенствованию технологии производства.
Постановка цели и задач настоящей работы соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», утверждённому приказом Президента России от 7 июля 2011 года No 899, а также приоритетным направлениям развития УрФУ: «Металлургия» и «Новые материалы и материаловедение».

6
Научная новизна работы состоит в разработке методики оценки сопротивления деформации анизотропного материала и получении новых данных о реологических свойствах электротехнической анизотропной стали.
Теоретическая значимость работы состоит в решении краевой задачи холодной прокатки анизотропного материала, получении данных о напряжённо-деформированном состоянии и кинематике очага деформации.
Практическая значимость работы состоит в выявлении связей между режимами обработки трансформаторной стали и её эксплуатационными свойствами, а также в разработке технологических мероприятий по совершенствованию технологии производства в условиях цеха холодной прокатки (ЦХП) ООО «ВИЗ-Сталь».
Методология исследования построена на основных концепциях механики обработки металлов давлением, в том числе на применении теорий пластичности изотропного материала (уравнение Мизеса) и анизотропного материала (уравнение Хилла) при использовании следующих методов: испытания механических свойств металлических материалов, конечно- элементного моделирования, планирования вычислительных и промышленных экспериментов, статистической обработки опытных данных.
Методы исследования включают:
 Оценку деформационного и скоростного упрочнения анизотропной электротехнической стали для реального процесса холодной прокатки.
 Определение анизотропии механических свойств трансформаторной стали промышленного производства при испытаниях на микротвердость образцов из тонкого холоднокатаного листа в различных направлениях относительно системы координат процесса прокатки.
 Решение краевых задач холодной прокатки трансформаторной стали методом конечных элементов в программном модуле Deform 3D с целью определения кинематики и напряженно-деформированного состояния очага деформации.

7
 Совершенствование действующей технологии производства трансформаторной стали с использованием методов планирования экспериментов и статистической обработки опытных данных.
Положения, выносимые на защиту:
 Коэффициенты уравнения пластичности Хилла для анизотропного материала, полученные для трансформаторной стали.
 Параметры нейтрального сечения очага деформации для процесса тонколистовой холодной прокатки трансформаторной стали в зависимости от факторов трения на контактной поверхности и натяжения полосы.
 Особенности напряжённо-деформированного состояния очага деформации при прокатке электротехнической стали с учётом анизотропии её механических свойств.
 Математическая модель энергосиловых параметров холодной прокатки трансформаторной стали на основе уточненных сведений о механических свойствах обрабатываемого материала и адаптации для существующих промышленных условий.
 Результаты мероприятий по совершенствованию технологии производства трансформаторной стали.
Степень достоверности результатов работы подтверждается статистической обработкой полученных данных, сравнением с известными аналогами из технической литературы и данными реальных производственных процессов.
Апробация результатов работы выполнена путем докладов итогов исследований на конференциях и публикацией в рецензируемых изданиях, в том числе, зарубежных и из перечня ВАК.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVI Международная научно- техническая Уральская школа – семинар металловедов – молодых ученых (2015 г., УрФУ, г. Екатеринбург), V Международная интерактивная научно- практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии»

8
(2015 г., УрФУ, г. Екатеринбург), ХХXI Международная конференция «Дни на безразрушителния контрол 2016» (2016 г., Институт по механика – БАН, г. Созополь, Болгария), II Международная научно-практическая конференция «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства» (2016 г., МГТУ им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск), XXII Международная научно-практическая конференция «Трубы – 2016» (2016 г., ОАО «РосНИТИ», г. Челябинск), XVII Международная научно-техническая Уральская школа – семинар металловедов – молодых ученых (2016 г., УрФУ, г. Екатеринбург), X Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (2016 г., ИМАШ УрО РАН, г. Екатеринбург), XI Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (2017 г., ИМАШ УрО РАН, г. Екатеринбург), XVIII
Международная
металловедов –
Международная
Practice» (2018
Международная
машиностроения
исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ» (2018 г., ИМЕТ УрО РАН, г. Екатеринбург), XIX Международная научно-техническая Уральская школа – семинар металловедов – молодых ученых (2018 г., УрФУ, г. Екатеринбург).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 20-ти печатных трудах, в том числе 9 из них опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Три статьи вошли в международную базу Scopus, две в международную базу Web of Science.
Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением ФГАОУ ВО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках исследований, включённых в следующие научные программы:
научно-техническая Уральская школа – семинар молодых ученых (2017 г., УрФУ, г. Екатеринбург), III научно-практическая конференция «Magnitogorsk Rolling
г., МГТУ им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск), IV конференция «Перспективы развития металлургии и с использованием завершенных фундаментальных

9
«Апробация идей и модернизация процессов обработки материалов давлением, в том числе аддитивных технологий, с целью повышения эффективности производства, качества и эксплуатационной надежности металлургической продукции ответственного назначения» в рамках базовой части государственного задания высшим учебным заведениям и научным организациям в сфере научной деятельности No 11.9538.2017/БЧ от 01.02.2017 г.
Проект «Оптимизация режимов обработки при производстве электротехнической анизотропной стали по нитридно-медному варианту технологии с целью улучшения её плоскостности» в рамках плана работ ЦЗЛ ООО «ВИЗ-Сталь» на 2015-2017 гг., утверждённого исполнительным директором предприятия.
Четвертая глава настоящей работы выполнена в ООО «ВИЗ-Сталь» (группа компаний НЛМК). Автор выражает благодарность начальнику ЦЗЛ ООО «ВИЗ-Сталь» к.х.н. Л. С. Карениной, специалистам Прокатной группы ЦЗЛ Г. В. Быкову и А. Г. Урицкому, специалисту по прокатному производству ЦХП Н. В. Михайлову за помощь в организации и проведении опытно-промышленных исследований.