Совершенствование режимов поперечно-винтовой прокатки и технологии производства мелющих шаров : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.05

Согласно приоритетным направлениям развития черной и цветной металлургии, из распоряжения Правительства РФ от 6 июня 2020 г. No 1512-р «Об утверждении Сводной стратегии развития обрабатывающей промышленности РФ до 2024 г. и на период до 2035 г», в ближайшие годы в металлургической и горнорудной промышленности России планируется их значительный рост. При переработке руды одним из основных этапов является процесс измельчения в стержневых и шаровых мельницах. В связи с этим, расширяется объем производства мелющих шаров, которые используются как основной рабочий элемент для помола руды. Существует множество способов производства шаров: литьё, штамповка, а также поперечно-винтовая или плоско-клиновая прокатка, последние два из которых наиболее производительны и в большинстве своем используются на объектах массового производства. За последние годы уже запустили в эксплуатацию шаропрокатные станы: «Северсталь» (Череповец), «KSP Steel» (Павлодар), «УГМК» (Сухой Лог), «ЕВРАЗ-НТМК» (Нижний Тагил). На сегодняшний день в мире установлено более 40 шаропрокатных станов для производства мелющих шаров. Большинство из шаропрокатных станов, находящихся на территории России и стран СНГ, были запущены еще в 60-е гг. XX века. Технологии получения шаров, применимые на данных станах, морально устарели, не отвечают современным требованиям и в большинстве своем требуют замены или модернизации оборудования.
Поэтому актуальной проблемой на сегодняшний день является совершенствование режимов поперечно-винтовой прокатки, а также калибровок шаропрокатных валков, технологии производства шаров на шаропрокатных станах для повышения: качества производимых шаров, увеличения энергоэффективности процессов, снижения трудовых ресурсов и минимизации человеческого фактора на процесс производства. Это требует
5
глубокого научного подхода, основанного на тенденциях современной науки и техники, включающего повышение технологичности производственного процесса, улучшение технических характеристик существующего оборудования и обоснование процессов, материалов, устройств и режимов предложенных вновь.
Степень разработанности темы исследования
Развитие теории поперечно-винтовой прокатки коротких тел целиком основывается на работах А.И. Целикова и С.П. Грановского, заложивших фундаментальные основы расчетов для калибровок шаропрокатных валков, которые впоследствии усовершенствовались такими учеными, как В.И. Котенок, К.Л. Разумов-Раздолов, а также исследовались и были применены на практике группой ученых из Новокузнецка во главе с В.Н. Перетятько, авторами из Люблинского технологического университета во главе с Z. Pater и специалистами из Китайской Народной Республики. Однако развитие науки и техники в других областях приводит к непрерывному совершенствованию современного прокатного и металлорежущего оборудования, способного производить изделия различной сложности и качества, к появлению новых систем управления, способных осуществлять более детальные настройки технологического процесса и к появлению полностью автоматизированных производственных линий непрерывного цикла, в связи с чем требуется совершенствование и адаптация под данные нововведения существующих теорий, конструкций, в том числе и калибровок валков, а также технологий производства шаров
Поэтому целью диссертационной работы является: разработка перспективных калибровок шаропрокатных валков, совершенствование режимов поперечно-винтовой прокатки и технологии производства мелющих шаров.
На основе анализа произведена декомпозиция цели на основные задачи диссертационного исследования, которые необходимо решить для ее достижения:

6
– повысить ресурс инструмента деформации шаропрокатных станов, в том числе, исследовать причины, виды износа, распределение износа по поверхности инструмента деформации;
– разработать перспективные калибровки шаропрокатных валков, аналитически описать кривые, являющиеся образующими для элементов калибровки. Детально рассмотреть каждый параметр калибровки (подъем и толщина реборды, шаг и развалка калибра), а также влияние данных параметров на режимы прокатки. Сравнить различные методы разработки калибровок и процессов прокатки, включая аналитический, опытный, а также моделирование МКЭ и доказать степень сходимости результатов для валков с непрерывно-изменяющимися параметрами;
– решить задачи прикладного характера по совершенствованию технологических режимов производства мелющих шаров (включающие создание процессов с максимальной автоматизацией, например, оперативный контроль оптимизации настроек стана или определение прокаливаемости шаров в On-line режиме для управления параметрами термообработки и пр.) и совершенствовать технологии производства (включая уменьшение расхода металла, повышение качества продукции как по геометрическим параметрам, так и по объемной твердости и др.)
Научная новизна диссертационной работы. В результате систематических исследований показаны направления развития, при которых возможно получение мелющих шаров высокого качества.
Установлено, что на шаропрокатных валках наиболее подвержены износу две области – зона захвата заготовки и зона отделения перемычки, в которых износ достигает предельных значений. Нагрузки на оборудование зависят от степени износа. Период приработки составляет 1/4 ресурса валка и сопровождается снижением нагрузки. Дальнейший износ приводит к замедленному, а затем к интенсивному росту нагрузки. Показано, что максимальное влияние частоты вращения валков на контактное давление происходит в момент захвата заготовки.

7
Аналитически получены функции значений непрерывно- изменяющихся параметров (изменения шага и развалки калибра) для шаропрокатных валков при выполнении условия сохранения постоянства секундных объемов; определено, что функциональные зависимости являются характеристическими уравнениями кривых 2-ого порядка. Это позволяет однозначно определить положение образующей кривой по 5 точкам. На этой основе разработана методика проектирования шаропрокатных валков.
Впервые произведено моделирование прокатки шаров в программе Deform-3D с использованием валков с непрерывно-изменяющимися параметрами. Доказана возможность использования системы Deform для моделирования процессов прокатки шаров на валках с непрерывно- изменяющимися параметрами с высокой степенью достоверности результатов моделирования по геометрическим и энергосиловым параметрам.
Теоретическая и практическая значимость диссертации
Проведенные исследования явились научным обоснованием рекомендаций.
Предложены скоростные режимы прокатки с автоматически- изменяемой частотой вращения в момент захвата заготовки для увеличения ресурса шаропрокатных валков, определены их рациональные параметры. При производстве шаров различных диаметров определены допустимые максимальные частоты вращения валков, например, для шаров Ø60 мм она составит 71 об/мин и, для Ø80 мм ― 72 об/мин и т.д.
Установлено влияние конструктивных элементов проводок на их износ. Увеличение ширины рабочей части проводок, при прокатке шаров условным диаметром Ø60 мм, Ø80 мм, Ø100 мм, Ø120 мм, до максимально возможных значений 9,5 мм, 14,5 мм, 16,5 мм и 27 мм, соответственно, повысило их ресурс.
Впервые разработаны модели энергоэффективных калибровок для валков с переменными параметрами (непрерывно-изменяющимся шагом по

8
функциональным зависимостям, переменной глубиной впадины), которые обеспечивают постоянное прилегание заготовки к валкам и создают более равномерное распределение контактных давлений по поверхности шара.
На основании экспериментов решен ряд прикладных задач, направленных на совершенствование технологии производства мелющих шаров: уменьшена концевая обрезь заготовки; предложено разбиение мелющих шаров на две категории точности: обыкновенной и повышенной; предложен экспресс контроль глубины прокаливания мелющих шаров на основании регистрации акустических колебаний; разработаны режимы, гарантирующие получение шаров 5 группы твердости из сталей марок 70ХГФН-2, 75ХГФН и Ш-3Г в условиях закалки с прокатного нагрева.
Методология и методы исследования:
Исследования режимов прокатки и термообработки мелющих шаров проводились в рамках производственного эксперимента на станах 40-80 и 80- 125, а также в условиях вводимого в эксплуатацию стана 60-120 АО «ЕВРАЗ- НТМК»;
Проектирование 3-D моделей шаропрокатных валков производилось в программе SolidWorks 2018 Professional, а моделирование процессов прокатки методом конечных элементов проводилось в программном комплексе Deform 2D/3D. Математическое моделирование процессов термической обработки проводилось в программе Solid Flow Simulation.
Определение геометрических параметров проводилось как на стандартном оборудовании, так и при помощи специальных пространственных измерителей («FARO ARM» и 3-D сканер) с применением методов допускового контроля и учетом погрешностей инструментов и методов измерения. Контроль физических величин режимов работы производился на метрологически-аттестованном оборудовании с использованием систем автоматики, измерительных инструментов и стационарных приборов (тепловизора «Fluke Ti 400», твердомера

9
«МЕТОЛАБ 703», ударного копра, металлографического микроскопа «Leica MEF4A» и т.д.).
Положения выносимые на защиту:
– результаты комплексных исследований режимов поперечно-винтовой прокатки, обеспечивающие получение мелющих шаров высокого качества;
– характер, степень и распределение износа по длине шаропрокатных валков. Влияние конструктивных элементов проводок на их износ;
– скоростные режимы прокатки с автоматически-изменяемой частотой вращения в момент захвата заготовки;
– новые калибровки шаропрокатных валков с непрерывно- изменяющимися параметрами (с непрерывно изменяющимся шагом и постоянной или линейно-увеличивающейся толщиной реборды, а также с переменной глубиной впадины);
– 3-D модель процесса прокатки в программе Deform-3D, использующая валки с непрерывно-изменяющимися параметрами, показавшая высокую степенью сходимости результатов моделирования по геометрическим и энергосиловым параметрам с результатами промышленного эксперимента;
– прикладные исследования по совершенствованию технологических режимов производства мелющих шаров: оперативный контроль оптимизации настроек стана, определение прокаливаемости шаров в On-line режиме и совершенствование технологии производства: уменьшение расхода металла, повышение качества мелющих шаров;
– результаты производственного эксперимента, обеспечивающие получение шаров 5 группы твердости в условиях шаропрокатного стана 60- 120.
Достоверность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечена корректным выбором современных методов исследования и согласием базовых положений диссертации с современными концепциями.

10
Достоверность математического моделирования определяется применением современных методов моделирования процессов прокатки, термообработки и высокой степенью сходимости результатов моделирования с опытными данными.
Предложенные и разработанные в диссертационной работе методы и методики были использованы на промышленных площадках:
– Внедрение мероприятия по переменной частоте вращения валков на стане 80-125 крупносортного цеха АО «ЕВРАЗ-НТМК» и фактическое увеличение за 2019 год ресурса валков до 1960 тонн с одной переточки вместо 1800 т за 2018 год (Приложение 2 Акт соответствия и акт использования изобретения 2723342 от 07.08.2020);
– Получена высокая точность геометрии шаров и энергоэффективность прокатки по калибровке с непрерывно-изменяющимся шагом и постоянной шириной реборды, на основании чего определено дальнейшее преимущество: (а) в использовании непрерывно-меняющегося шага с использованием функции сохранения постоянства объема, (б) изготовления шаропрокатных валков на фрезерном 5-координатном обрабатывающем центре с обеспечением непрерывно-меняющегося шага, взамен токарно-винторезных станков (приложение 2 Акт о результатах опытной прокатки от 30.04.2018г.)
– Произведено максимально-возможное увеличение ширины проводки для всех используемых профилей на шаропрокатных станах АО «ЕВРАЗ- НТМК», что дало увеличение производства ШПС за счет снижения плановых простоев по замене проводок с суммарным экономическим эффектом за 2019 год в размере 10,82 млн. рублей (Приложение п.No2. Акта О результатах внедрения инициатив на участке ШПС от 23.09.2020г.);
– Разработаны режимы настройки стана, повлиявшие на увеличение стойкости валков и увеличение производства ШПС с суммарным экономическим эффектом за 2019 год в размере 22,33 млн. рублей (7,2 млн. рублей за счет эффекта от сокращения используемых валков; 15,13 млн. руб.

11
за счет эффекта от увеличения производства ШПС) (Приложение п.No2. Акта О результатах внедрения инициатив на участке ШПС);
– Получены устойчивые процессы изготовления мелющих шаров 5 группы твердости из марок стали: 70ХГФН-2 и 77ХГФНМ.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (75, 76, 78) МГТУ им. Г.И. Носова: – г. Магнитогорск 2017, 2018, 2020; Международных научно- практических конференциях «Молодежь и наука» НТИ(ф) УрФУ им. Б.Н. Ельцина: – г. Нижний Тагил 2017, 2018, 2019, 2020; ХIV Международной научно-технической конференции «Наука–образование–производство: Опыт и перспективы развития» – г. Нижний Тагил 2018; XXIV, XXV Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» – Магнитогорск (2018), Екатеринбург (2020); 4-ой научно-практической конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении ИТММ» – г. Пермь 2019; XII Международном конгрессе прокатчиков – Выкса (2019); Международной конференции «Промышленное производство и металлургия (ICIMM)» – Нижний Тагил 2020.
По результатам диссертационной работы опубликованы 30 статей, среди которых 4 статьи вошли в базу данных SCOPUS, еще 5 статей вошли в рецензируемые научные издания, определенные ВАК и Аттестационным советом УрФУ, а также, получен патент РФ на изобретение.