Разработка теоретических основ и обоснование основных технологических решений процесса прокатки железнодорожных рельсов на универсальных рельсобалочных станах : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук : 05.16.05

Актуальность диссертационной работы. Российские железные дороги яв- ляются второй по величине транспортной системой мира, уступая по общей длине эксплуатационных путей лишь США. Российская Федерация в настоящее время осуществляет более 20 процентов грузооборота и 10 процентов пассажирооборота всех железных дорог мира [1]. Очень показательна доля железнодорожного транспорта в грузообороте транспортной системы нашей страны и ее динамика. За весь период экономических реформ в стране доля железнодорожного транс- порта существенно возросла: с 76 % в 1991 г. до нынешних 85 % [2].
Для обеспечения постоянно растущего спроса на железнодорожные пере- возки, в соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», необходимо увеличить объем грузовых пе- ревозок до 3300 млрд. тонно-км, пассажирооборот – до 231 млрд. пасс.-км. (что соответствует увеличению в 1,58 и 1,33 раза соответственно по отношению к 2007 году), повысить ресурс рельсов на прямолинейных участках пути до 1500 млн.т груза брутто, увеличить маршрутные скорости движения пассажирских поездов на высокоскоростных магистралях (Москва – Санкт-Петербург и др.) до 250-350 км/ч [1,3].
До недавнего времени металлургические предприятия России и стран СНГ не имели технической возможности производить рельсы отвечающие требовани- ям современных железных дорог, а их качество значительно уступало лучшим за- рубежным аналогам (рельсам японских, французских, австрийских и др. произво- дителей) [4].
Поэтому для достижения требуемых эксплуатационных показателей желез- нодорожных рельсов осуществлена коренная реконструкция рельсового произ- водства на ОАО «ЕВРАЗ-НКМК» г. Новокузнецк (2013 г.) [5], введен в эксплуа- тацию новый рельсобалочный цех в ОАО «МЕЧЕЛ» г. Челябинск (2013 г.) [6], построен новый рельсобалочный цех ТОО «Актюбинский рельсобалочный завод» в Республике Казахстан г. Актобе (2015 г.) [7].
6
Все три указанных предприятия реализуют современную схему производ-
ства железнодорожных рельсов, которая включает: нагрев непрерывнолитого блюма в методических печах с шагающим подом (балками); удаление первичной окалины; прокатку чернового рельсового профиля в одной или двух реверсивных клетях дуо; удаление вторичной окалины; прокатку готового рельса в непрерыв- но-реверсивных группах универсальных четырехвалковых клетей; дифференци- рованную термическую обработку с прокатного нагрева; охлаждение готовых рельсов на холодильнике; правку; проведение неразрушающего контроля в потоке прокатного стана и окончательную отделку (торцовку, резку, сверление отверстий и т.д.).
Непрерывно-реверсивные группы универсальных четырехвалковых клетей (группы тандем) применены впервые в практике отечественного прокатного про- изводства.
Последнее обстоятельство делает актуальным проведение исследований направленных на создание научных основ, разработку и научное обоснование ос- новных технологических решений процесса прокатки железнодорожных рельсов на современных универсальных рельсобалочных станах.
Диссертационная работа выполнена в рамках следующих проектов и про- грамм:
– «Разработка новой комплексной металлургической технологии производ- ства высококачественных стальных изделий массового назначения» (в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры ин- новационной России» на 2009-2013 годы, Государственный контракт от 15 июня 2009 г. No 02.740.11.0152, No гос. регистрации 01200905641);
– «Разработка научных основ физики и механики обработки металлов дав- лением с целью создания энерго– и ресурсосберегающих инновационных техно- логий производства металлургической продукции ответственного назначения» (государственное задание в сфере научной деятельности No11.1369.2014/K от 18.07.2014, No гос. регистрации 114122470051);

7
– «Создание новых технологических процессов, машин и систем автомати-
зированного проектирования в области обработки металлов давлением на основе современных достижений механики, прикладной математики и информатики» (программа Минвуза РФ, 2011–2013 г.);
– «Инновационные технологические процессы обработки металлов давле- нием» (Президентская программа повышения квалификации инженерных кадров, No гос. рег. 55–2013–3–ЭФ, приказ по Минобрнауки России No 328 от 30.04.2013);
– «Разработка методики расчета рациональных калибровок валков и техно- логических режимов прокатки рельсов с применением универсальных клетей» (Хозяйственный договор между ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» и ОАО «НТМК» No1443/08/0415);
– «Разработка и освоение технологии прокатки рельса Р65 на универсаль- ном рельсобалочном стане ТОО «АРБЗ» (Хозяйственный договор между ФГАОУ ВПО УрФУ и ТОО «Актюбинский рельсобалочный завод No31/15/Н.977.210.013/15, от 19 февраля 2015 г.).
Степень разработанности темы исследования. Вопросам проектирования калибровок валков и разработки технологических режимов для прокатки рельсов посвящены работы В.Е. Грум-Гржимайло, И.И. Кучко, Б.П. Бахтинова, М.М. Штернова, Б.М. Илюковича, П.И. Полухина, И.С. Тришевского, П.А. Алексан- дрова, А.П. Чекмарева, Б.В. Мерекина, Б.Б. Диомидова, Н.В. Литовченко, В.Н. Перетятько, В.В. Дорофеева и других ученых. Однако практически все известные методы расчета калибровок и технологических параметров разработаны примени- тельно к способам прокатки рельсов в двухвалковых калибрах и базируются на обобщении практически освоенных режимов деформации раската на линейных рельсобалочных станах.
Теория прокатки рельсовых профилей в универсальных клетях развита не- достаточно. Для расчета режимов прокатки и энергосиловых параметров в уни- версальных калибрах используют эмпирические формулы и эвристические прие- мы, установленные практикой, а также методы соответственной полосы. Научно обоснованной методики расчета калибровок валков и технологических парамет-

8
ров прокатки рельсов в универсальных калибрах до настоящего времени не со-
здано.
Выше сказанное позволяет сформулировать цель диссертационной рабо-
ты: используя вариационные принципы механики деформируемого тела и совре- менные вычислительные и программные средства разработать математическую модель процесса прокатки рельсового профиля в универсальных калибрах и на ее основе создать научно обоснованную методику проектирования калибровок вал- ков и технологических режимов прокатки железнодорожных рельсов на совре- менных универсальных рельсобалочных станах.
Материал диссертации изложен в 8-ми главах.
В первой главе представлен аналитический обзор по тематике научно- технической проблемы, решаемой в рамках диссертационной работы. Выполнен анализ состояния и развития теории и технологии производства железнодорож- ных рельсов на современных рельсобалочных станах, также методов расчета тех- нологических параметров прокатки рельсов. На основе проведенного анализа сформулирована цель работы, указанная выше, и определены задачи диссерта- ционного исследования, которые необходимо решить для ее достижения:
 выполнить постановку и решить вариационную задачу по определе- нию формоизменения металла и энергосиловых параметров деформации при про- катке рельсового профиля в универсальном четырехвалковом калибре;
 по результатам численного решения указанной задачи определить за- кономерности изменения характеристик деформаций и энергосиловых параметров в зависимости от исходных параметров, определяющих условия прокатки рельсов на универсальном рельсобалочном стане. Получить систему инженерных формул для расчета коэффициентов деформации элементов профиля и энергосиловых па- раметров в процессе прокатки;
 с применением системы полученных формул создать математическую модель расчета калибровки валков и технологических режимов прокатки желез- нодорожных рельсов на типовом универсальном рельсобалочном стане;

9
 разработать методику расчета рациональных скоростных режимов
прокатки по разработанной калибровке с оптимизацией технологического процес- са по быстродействию (производительности);
 разработать методику компьютерного моделирования температурных режимов прокатки рельсов на универсальном рельсобалочном стане с определе- нием закономерностей изменения температурного и напряженно- деформированного состояния рельсового раската по длине и элементам профиля;
 составить общий алгоритм проектирования технологического режима прокатки заданного профиля рельса на современном универсальном рельсобалоч- ном стане;
 применить созданную методику в целом для разработки технологиче- ских процессов прокатки наиболее востребованных железнодорожных рельсов Р65 на существующих и вновь создаваемых прокатных станах.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процесса прокатки рельсового профиля в универсальных калибрах. На основе применения вариаци- онного принципа минимума полной мощности и современных программно- вычислительных средств поставлена и решена задача по определению параметров формоизменения металла (обжатие и приращение-утяжка фланцев головки и по- дошвы), кинематики процесса и энергозатрат (опережение металла при прокатке, крутящий момент деформации). Результаты решения задачи позволили разрабо- тать математическую модель формоизменения и энергосиловых параметров при прокатке рельсового профиля в универсальном четырехвалковом калибре. Отли- чительными особенностями разработанной математической модели являются по- вышенная точность расчетов за счет исключения традиционных допущений и упрощений вычислительного характера и обеспечение равномерной деформации элементов рельсового профиля за счет достижения одинаковых коэффициентов вытяжки по шейке, подошве и головке профиля. Численная реализация в системе MathCAD разработанной модели позволила определить закономерности формо- изменения металла и силовых воздействий. Установленные закономерности опи- саны инженерными формулами и положены в основу научно обоснованной мето-

10
дики расчета рациональных режимов обжатий, скоростных и энергосиловых па-
раметров прокатки.
В третьей главе рассмотрены общие и частные аспекты рельсовой калиб-
ровки как технологической системы. На основе анализа промышленных калибро- вок валков, разработана единая блочная структурная схема, позволяющая описать практически все известные рельсовые калибровки. Показано, что предложенная структурная схема позволяет формировать множество различных вариантов схем калибровок. Сформулированы рекомендации по выбору рациональной схемы в зависимости от состава оборудования стана и требований, предъявляемых к тех- нологическому процессу.
С использованием регрессионных формул, полученных в главе 2, разрабо- тана научно обоснованная методика расчета формоизменения металла при про- катке в универсальных рельсовых калибрах. В результате статистического анали- за литературных данных и промышленных калибровок валков разработана мето- дика формоизменения металла при прокатке в черновых двухвалковых рельсовых калибрах, сформулированы рекомендации по расчету и конструированию подго- товительных тавровых калибров.
В четвертой главе представлены результаты исследования некоторых ха- рактерных особенностей прокатки рельсов в универсальных калибрах. С приме- нением МКЭ-моделирования в программном комплексе Deform-3D исследован процесс входа рельсового раската в универсальный калибр. Установлено, что ввиду разновременности захвата элементов рельсового профиля валками универ- сального калибра происходит изгиб заднего конца полосы в сторону подошвы. Такой изгиб обусловлен разностью длин очагов деформации шейки, головки и подошвы, вызванной необходимостью применения по головке значительно боль- ших обжатий с целью соблюдения равенства коэффициентов вытяжки по элемен- там профиля. Качественно оценены силовые воздействия рельсового раската и вводных направляющих линеек.
Выполнено теоретическое исследование условий входа рельсового раската в универсальный калибр, по результатам которого сформулированы условия захвата

11
рельсового раската валками универсальной клети. Рекомендовано при проектиро- вании режимов прокатки рельсов учитывать сформулированное ограничение по
условиям захвата раската в универсальных клетях.
Результаты выполненных исследований позволили на уровне изобретения
разработать новый способ прокатки рельсов в универсальных калибрах, отличаю- щийся от известных способов тем, что прокатка в универсальных калибрах ведется с последовательно расширяющейся шейкой. Показано, что соответствующим под- бором величины расширения шейки и обжатий головки и подошвы вертикальными валками можно выровнять длины очагов деформации, при соблюдении равенства коэффициентов вытяжки по всем элементам профиля. Получены формулы для рас- чета величины расширения шейки и обжатий головки и подошвы, позволяющие обеспечить указанные условия деформации. Показано, что сконструированные та- ким образом универсальные калибры позволяют улучшить условия захвата, стаби- лизировать положения полосы в валках, устранить искривления полосы при входе в очаг деформации, а также снизить расход электроэнергии на прокатку.
В программном комплексе Deform-3D выполнено исследование формоизме- нения металла при прокатке рельсового профиля в универсальном калибре. Для математического описания закономерностей течения металла был проведен вы- числительный эксперимент по определению влияния параметров прокатки на ве- личину коэффициентов приращения-утяжки фланцев и форму их свободной по- верхности. По результатам вычислительного эксперимента подтвержден криволи- нейный характер свободной поверхности головки и подошвы. Статистической об- работкой результатов получены аналитические зависимости, описывающие криво- линейную форму головки и подошвы рельсового профиля. С учетом этих зависи- мостей сформулированы рекомендации по назначению обжатий во вспомогатель- ных двухвалковых калибрах.
В пятой главе представлена математическая модель и методика расчета ра- ционального скоростного режима прокатки в непрерывно-реверсивных группах клетей современных универсальных рельсобалочных станов. Разработанная мате- матическая модель расчета рационального скоростного режима прокатки была вве-

12
дена в систему автоматического управления электроприводом непрерывно- реверсивной группы клетей при освоении нового универсального рельсобалочного стана на ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический ком- бинат». Опыт производства рельсов на УРБС ОАО «ЕВРАЗ-ЗСМК» показал рабо-
тоспособность разработанной модели в производственных условиях.
Шестая глава посвящена исследованиям температурных режимов и энер- госиловых параметров прокатки с применением универсальных рабочих клетей. Разработана методика моделирования температурного поля и напряженно состоя- ния при прокатке длинномерных рельсов в программном комплексе Deform-3D. Определены закономерности изменения температуры металла и интенсивности главных напряжений по длине и элементам прокатываемого рельса. Установлено, что неравномерность температурного поля и напряженного состояния возрастает по мере формирования элементов рельсового профиля и создает возможность
продольного изгиба и скручивания раската вокруг его продольной оси. Разработана математическая модель, позволяющая оперативно рассчиты- вать температуру любого элемента рельсового профиля по длине чистового рас- ката с целью управления режимом последующей термообработки. По результатам исследований на уровне изобретения предложен новый способ термообработки
длинномерных рельсов.
Выполнено исследование энергосиловых параметров прокатки рельсового
профиля в универсальном калибре по традиционному (с постоянной шириной шейки) и разработанному (с переменной шириной шейки) способам. Подтвержде- на энергоэффективность разработанного способа прокатки.
Разработана методика расчета энергосиловых параметров прокатки рельсов в универсальных калибрах, позволяющая рассчитывать весь комплекс силовых характеристик процесса, а также осуществлять проверку ограничений режимов деформации по прочности оборудования и мощности электродвигателей привода рабочих клетей универсального балочного стана.
На основе представленных выше методик расчета формоизменения металла, скоростных режимов прокатки, температурных и энергосиловых параметров про-

13
катки, в седьмой главе разработан общий алгоритм проектирования рациональ- ных калибровок валков и технологических режимов прокатки рельсов на универ-
сальном рельсобалочном стане.
В восьмой главе представлено использование результатов диссертацион-
ной работы.
Научную новизну и теоретическую ценность представляют следующие разработки диссертации:
 впервые разработанная математическая модель формоизменения и энергосиловых параметров при прокатке рельсового профиля в универсальном четырехвалковом калибре;
 закономерности формоизменения металла и силовых воздействий при равномерной деформации профиля рельсового раската в универсальном четырехвал- ковом калибре. Установленные закономерности описаны инженерными формулами;
 научно обоснованный метод расчета формоизменения металла при прокатке в рельсовых калибрах;
 математически сформулированные условия захвата рельсового раската валками универсальной клети;
 математическая модель и методика расчета рационального скоростного режима прокатки в непрерывно-реверсивных группах клетей современных универ- сальных рельсобалочных станов;
 методика моделирования температурного и напряженного состояния при прокатке длинномерных рельсов и закономерности изменения температуры металла по длине и элементам прокатываемого рельса;
 методика расчета энергосиловых параметров прокатки рельсов в уни- версальных калибрах.
Практическую значимость диссертации определяют следующие ре- зультаты:
 новая методика проектирования калибровок валков и технологиче- ских режимов при прокатке железнодорожным рельсов в универсальных калиб-

14
рах, обеспечивающая получение равномерной деформации прокатываемого про-
филя и высокое качество рельсов;
 алгоритм расчета калибровок валков для прокатки рельсов на совре-
менном универсальном рельсобалочном стане с определением скоростного и тем- пературного режимов, расчетом энергосиловых параметров прокатки и проверкой ограничений режимов деформации;
 математическая модель расчета температуры элементов рельсового профиля по длине чистового раската, позволяющая оперативно рассчитывать температуру любого элемента по длине полосы с целью управления режимом по- следующей термообработки, а также новый способ термообработки длинномер- ных рельсов, позволяющий повысить прямолинейность закаленного рельса;
 новый способ прокатки рельсов в универсальных калибрах, позволяю- щий улучшить условия захвата, стабилизировать положение полосы в валках, устранить искривления полосы при входе в очаг деформации, а также снизить расход электроэнергии на прокатку;
 калибровка валков, рациональный скоростной режим и силовые парамет- ры процесса прокатки на универсальном рельсобалочном стане запроектированные в рамках технологического задания на реконструкцию рельсобалочного стана АО «ЕВРАЗ-НТМК»;
 калибровка валков, рациональные технологические режимы прокатки, а также комплекты рабочей технической документации, включающие чертежи всех калибров, монтажные чертежи рабочих валков, чертежи шаблонов и контршабло- нов ручье калибров и комплект технической документации на узлы привалковой арматуры, разработанные для ТОО «Актюбинский рельсобалочный завод».
Методы исследования: вариационные принципы механики деформируемо- го твердого тела; анализ и обобщение опыта применения промышленных рельсо- вых калибровок; методы планирования рационального вычислительного экспери- мента; статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента с использованием аппарата корреляционно-регрессионного анализа; методы МКЭ-

15
моделирования процесса прокатки рельсов в универсальных калибрах в про-
граммном комплексе Deform-3D.
Положения, выносимые на защиту:
– математическая модель формоизменения и энергосиловых параметров при прокатке рельсового профиля в универсальном четырехвалковом калибре;
– закономерности формоизменения металла и силовых воздействий при прокатке рельсов;
– методика расчета формоизменения металла при прокатке в универсальных рельсовых калибрах;
– новый способ прокатки рельсов;
– математическая модель и методика расчета рационального скоростного ре- жима прокатки в непрерывно-реверсивных группах клетей современных универ- сальных рельсобалочных станов;
– закономерности изменения температуры металла по длине и элементам прокатываемого рельса;
– методика расчета энергосиловых параметров прокатки рельсов в универ- сальных калибрах;
– алгоритм проектирования калибровки валков и технологического режима прокатки рельсов на универсальном рельсобалочном стане.
Достоверность основных положений и выводов диссертационной работы определяется применением современных методов теоретического исследования формоизменения металла и энергосиловых параметров процессов прокатки, а также проверкой полученных результатов по опытным данным других авторов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Междуна- родная научно-техническая конференция «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов». СПбГПУ: – г. Санкт-Петербург 2007; Международные научно-технические конференции «Современные металли- ческие материалы и технологии» (СММТ’ 09, 11). СПбГПУ: – г. Санкт-Петербург, 2009, 2011 г.; VII, IX и XI Международные конгрессы прокатчиков Москва (2007),

16
Череповец (2013), Магнитогорск (2017); Международная конференция «Трансмет – 2007» «Современные технологии производства транспортного металла», Екате- ринбург, 2007); Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы – 2009». РУДН, Москва, 2009 г.; Международная конференция «Форси- рование индустриально-инновационного развития металлургии». Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатаева, Алматы, 2010; XV Международная научная конференция «Новые технологии и достижения в метал- лургии и инженерии материалов и процессов»: – г. Ченстохова (Польша), 2014; I Международная интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии», Екатеринбург, УрФУ, 2012; Международный научно-технический конгресс «ОМД-2014. Фундаментальные проблемы. Иннова- ционные материалы и технологии»: -г. Москва, 2014; Международная молодеж- ная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в металлур-
гии и машиностроении»: – г. Екатеринбург, УрФУ, 2014.
По результатам диссертационной работы опубликованы 20 статей в рецен-
зируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ, из них 5 статей вошли в ба- зу данных SCOPUS и 2 в базу WEB OF SCIENCE, 15 статей опубликованы в сборниках трудов международных конференций, получено три патента на изобре- тения.
В целом разработанные научные положения и результаты диссертации направлены на решение актуальной научно-технической проблемы на создания научных основ, разработки и научного обоснования основных технологических решений процесса прокатки железнодорожных рельсов на современных универ- сальных рельсобалочных станах.
Автор выражает признательность профессору кафедры ОМД Уральского федерального университета Шилову В.А., доцентам Михайленко А.М. и Непря- хину С.О. за поддержку и содействие в выполнении настоящей работы.