Разработка и исследование технологических параметров установки непрерывного литья и деформации для производства стальных полос : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.02.09

Актуальность темы исследования. Дальнейшее развитие нефтегазового и топливно-энергетического комплексов ставит перед трубной промышленностью задачу увеличения объема производства труб повышенного качества и разнообразного сортамента [1].
При обжатии крупных непрерывнолитых слябов на станах толстолистовой прокатки имеет место значительная неравномерность деформации по высоте сляба, что приводит к получению неоднородной структуры толстолистового проката [2-6]. Для снижения неравномерности деформации необходимо увеличивать обжатия за проход, что практически трудно осуществить, поскольку степень деформации за проход недостаточна и составляет 10-15 %. Вследствие этого в осевой зоне сляба литая структура металла недостаточно прорабатывается, неметаллические включения и ликваты имеют строчечное расположение в металле по оси прокатки [2], что приводит к снижению механических характеристик толстолистового проката и к проблемам при получении сварных труб на электросварочном стане.
За рубежом ведутся работы по разработке литейно-прокатных агрегатов для производства тонких стальных полос с целью снижения расхода энергозатрат и удельных капиталовложений [10]. В литейно-прокатных агрегатах жидкий металл подают в валки-кристаллизаторы, которые одновременно являются и кристаллизатором и деформирующим инструментом. При обжатии тонкого сляба степень деформации составляет 10-15 %, что недостаточно для получения достаточно высоких механических свойств стальных листов. Так же не следует в валковых агрегатах получать стальные полосы толщиной 8-10 мм, поскольку при этом существенно возрастает время затвердевания жидкого металла. Подача жидкого металла в валки- кристаллизаторы приводит к привариванию к их поверхности отдельных частиц металла слитка, что снижает качество поверхности полос [59]. Высокая частота циклов нагрев-охлаждение валков приводят к снижению их стойкости.
4
Решить изложенные выше проблемы толстолистовой прокатки и литья полос в валковых литейно-прокатных агрегатах компактная и ресурсосберегающая установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для производства листов из стали [11-15, 17-20, 25-36, 38-49, 84, 85].
Степень разработанности проблемы. За рубежом для получения стальных листов для сварных труб разработана технология, при которой выходящий из кристаллизатора машины непрерывного литья тонкий сляб толщиной 60-70 мм с жидкой сердцевиной обжимается двумя парами роликов до толщины 15-28 мм [7, 8]. Сравнительный анализ структуры металла стандартных слябов толщиной 200-250 мм и тонких слябов толщиной 60-70 мм показал, что величина зерна и область осевой ликвации у тонких слябов значительно меньше, чем у стандартных слябов [7]. Таким образом, для снижения энергозатрат и улучшения качества толстолистового проката для сварных труб следует отливать тонкие слябы и осуществлять их обжатие с высокой степенью деформации за проход и в заданном температурном интервале.
Изложенное выше позволило сформулировать цель диссертационного исследования: на основе теоретического исследования определить параметры совмещенного процесса и оборудования установки непрерывного литья и деформации, направленные на повышение качества и экономию материально- энергетических ресурсов при производства листов из стали для сварных труб, и создать и освоить опытную установку на ОАО «Уральский трубный завод».
Задачи диссертационного исследования:
– поставить и решить задачи определения напряженно-деформированного состояния металла в очагах деформации при гибке боковых стенок оболочки с жидкой фазой и обжатии сляба при получении листов из стали на установке;
– по результатам решения указанных задач определить закономерности распределения осевых, касательных и эквивалентных напряжений в очагах циклической деформации с учетом усилия вытягивания сляба из кристаллизатора;
5

– установить при формировании тонкого сляба закономерности распределения перемещений, напряжений и деформаций в боковых стенках оболочки с учетом подпора;
-поставить и решить объемную задачу определения осевых и эквивалентных напряжений в бойках с каналами установки от усилия обжатия сляба;
– поставить и решить задачу определения силовых параметров тянущего устройства, а также напряжений и деформаций в стальной полосе при ее вытягивании из кристаллизатора установки;
-создать и освоить на ОАО «Уральский трубный завод» опытную установку для получения стальных полос толщиной 3-22 мм и шириной 220 мм.
Научную новизну и теоретическую ценность представляют следующие разработки диссертации:
-закономерности распределения осевых напряжений в узких стенках оболочки с жидкой фазой при их гибке при получении листов из стали на установке;
-закономерности распределения осевых и касательных напряжений в очаге циклической деформации тонкого сляба с учетом усилия вытягивания стальной оболочки с жидкой фазой из кристаллизатора установки;
– закономерности распределения осевых и эквивалентных напряжений в бойках с каналами от усилия обжатия при получении листов из стали на установке;
– закономерности распределения напряжений и деформаций в стальной полосе при ее вытягивании из кристаллизатора установки непрерывного литья и деформации.
Практическую ценность диссертации представляют:
– результаты исследования напряженно-деформированного состояния металла и бойков с каналами установки;
– силовые параметры тянущего устройства установки; 6

– результаты создания и освоения на ОАО «Уральский трубный завод» опытной установки для получения полос из стали толщиной 3-22 мм и шириной 220 мм;
– основные параметры промышленной установки для производства листов из стали для сварных труб.
Полученные в диссертации разработки будут использованы при проектировании и изготовлении промышленной установки для производства полос из стали для сварных труб толщиной 3-22 мм и шириной до 2250 мм на ОАО «Уральский трубный завод».
Методология исследования: анализ и обобщение опыта применения методов планирования рационального эксперимента; статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента; методы конечно-элементного моделирования совмещенного процесса непрерывного литья и деформации в пакете ANSYS.
На защиту выносятся:
– результаты расчета напряженно-деформированного состояния металла в боковых стенках оболочки с жидкой фазой при их гибке для получения листов из стали на установке;
-результаты расчета осевых и касательных напряжений в очаге деформации тонкого сляба и перемещений металла на границе с жидкой фазой;
– результаты расчета осевых и эквивалентных напряжений в бойках с каналами от усилия обжатия;
– результаты расчета силовых параметров тянущего устройства, напряжений и деформаций в стальной полосе при ее вытягивании из кристаллизатора установки;
– результаты создания и освоения на ОАО «Уральский трубный завод» опытной установки для получения стальных полос толщиной 3-22 мм и шириной 220 мм;
– основные параметры промышленной установки для производства листов из стали для сварных труб на ОАО «Уральский трубный завод».
7

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается применением современных методов расчета НДС металла в очагах деформации и напряжений в бойках установки от усилия обжатия и температурной нагрузки, а также результатами исследования на опытной установке.
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); Международная научно-практическая конференция « Машины, агрегаты и процессы. Проектирование, создание и модернизация». (г. Санкт-Петербург, 2018).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в монографии и в 16 печатных трудах, в том числе в 10 рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 141 странице машинописного текста, включая 98 рисунков, 11 таблиц и библиографический список из 92 наименований.