Физическое моделирование при изучении студентами теории и технологии прокатки

Подготовка инженерных кадров как в высших учебных заведениях [1–4], так учреждениях среднего специального образования [5, 6] сопровождается определенными требованиями к материально-техническому обеспечению. В отличие от гуманитарных и экономических направлений, у технических специальностей эти требования характеризуются существенными материальными затратами для учебного заведения, поскольку оборудование для проведения практических и лабораторных занятий специализированное и доро- гостоящее [7]. Понимая эту специфику и ощущая существенную нехватку высококвалифицированных инженерных кадров, государство совместно с ведущими предприятиями различных отраслей промышленности реализует с 2022 года Федеральный проект «Профессионалитет», который призван оснастить образовательные учреждения современным учебным оборудованием [8].

Металлургическая отрасль России по уровню технологий и применяемого оборудования находится на мировом уровне [9]. Прокатное производство является одним их ос- новных переделов металлургической промышленности [10]. До 90 % всей выплавляемой стали, а также большую часть цветных металлов подвергают прокатке [11]. Ведущие металлургические предприятия, такие как Магнитогорский металлургический комбинат, Новолипецкий металлургический комбинат, Череповецкий металлургический комбинат и другие, оснащены современными прокатными станами с высоким уровнем автоматизации [12-15]. Поэтому при подготовке кадров в базовых учебных заведениях предприятия большое внимание уделяют методикам [16-18] и учебному оборудованию [19, 20], на котором обучаются студенты.

При профессиональной подготовке специалистов для таких сложных отраслей, как металлургическая и машиностроительная, в последние годы были существенно задействованы цифровые технологии [21]. Разработано большое количество тренажеров-симуляторов сложного технологического оборудования [22, 23], в учебном процессе задействованы технологии дополненной реальности [24], в период пандемии показали свою востребованность и незаменимость виртуальные лабораторные работы [25, 26]. В то же время нужно констатировать, что применение цифровых технологий не должно подменять реальную работу студентов в лабораториях на физическом оборудовании, а призвано осознанно и методически дополнять ее [27].

При подготовке «прокатчиков» в техникумах и институтах традиционно проводились лабораторные работы с применением физического моделирования процесса прокатки [28]. Учебные заведения располагали учебным [29]

или полупромышленным оборудованием [30], которое позволяло и позволяет сейчас изучать физические принципы процесса, отрабатывать практические навыки и знакомиться с прототипом или уменьшенной копией реального промышленного оборудования [31]. Однако стоит отметить, что автоматизация промышленного оборудования, которая не обошла стороной и прокатное производство, диктует необходимость применения в учебном процессе современных технических решений и цифровизации при практических занятиях [32, 33].

Имея определенный опыт создания как виртуального [34], так и реального учебного оборудования [35], а также разработки методического обеспечения различного уровня сложности [26], мы спроектировали и успешно реализовали проект «Автоматизированный прокатный стан ДУО-130» [36]. В числе первых заказчиков учебно-исследовательского прокатного стана в 2017 году были технопарк «Университетский» (г. Екатеринбург), технопарк Навоийского государственного горного института (г. Навои, Узбекистан), Челябинский государственный промышленногуманитарный техникумом им. А.В. Яковлева. В 2022 году в рамках федерального проекта «Профессионалитет» Волжский трубопрокатный завод (входит в состав Трубной металлургической компании - ТМК) выступил спонсором покупки прокатного стана ДУО-130 (рис. 1) для кафедры «Технология и оборудование машиностроительных производств» Волжского политехнического института.

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова приобрел стан (рис. 2) для образовательного процесса в

Рис. 1. Прокатный стан ДУО-130 в Волжском политехническом институте

Fig. 1. Rolling mill DUO-130 at the Volzhsky Polytechnic Institute

Рис. 2. Прокатный стан ДУО-130 в МГТУ им. Г.И. Носова (г. Магнитогорск)

Fig. 2. Rolling mill DUO-130 at Nosov Magnitogorsk State Technical University (Magnitogorsk)

Рис. 3. Прокатный стан ДУО-130 в Липецком металлургическом колледже Fig. 3. Rolling mill DUO-130 at the Lipetsk Metallurgical College

колледже, который входит в его состав и готовит кадры для Магнитогорского металлургического комбината. Одновременно с этим, также в рамках проекта «Профессионалитет», в эксплуатацию был запущен прокатный стан в Липецком металлургическом колледже (рис. 3).

Современное учебное оборудование должно сопровождаться грамотным и понятным для пользователей методическим обеспечением, которое позволит в рамках, установленных рабочей программой дисциплины, освоить требуемые компетенции и получить практические знания.

В настоящей работе рассмотрены методические аспекты изучения теории и технологии прокатки путем физического моделирова- ния процесса на автоматизированном прокатном стане ДУО-130.

Конструктивные особенности и система автоматизации прокатного стана ДУО-130

Прокатный стан, согласно одному из определений, – это машина для обработки давлением металла и других материалов между вращающимися валками, т. е. для осуществления процесса прокатки. В более широком значении это система машин (агрегат), выполняющая не только прокатку, но и вспомогательные операции, такие как транспортирование исходной заготовки к нагревательным печам и к рабочим клетям стана, кантовка, транспортирование металла после прокатки, термическая обработка с прокатного нагрева, резка на части, маркировка или клеймение, правка, упаковка, передача на склад готовой продукции.

В состав главной линии прокатного стана входит электродвигатель, редуктор, шестеренная клеть, муфты, шпиндели и рабочая клеть. Толстолистовые станы проектируются без применения шестеренной клети, т. е. с индивидуальным приводом. Могут быть еще и другие, вызванные специфическими требованиями, изменения конструкции, но спроектированный нами стан ДУО-130 сохранил именно традиционный состав главной линии прокатного стана (рис. 4), что обоснованно приоритетом его назначения, а именно как учебного оборудования.

Рабочая клеть прокатного стана ДУО-130 (рис. 5) имеет два универсальных валка диаметром 130 мм и длиной 160 мм, которые посредством подушек установлены в станину. Для задачи заготовки в валки и приема проката после деформации на рабочей клети смонтирован приемно-задающий стол. Нажимной механизм рабочей клети (рис. 6) реализован электромеханическим способом с применением шагового двигателя. Для измерения усилия прокатки конструкцией предусмотрена возможность установки месдоз.

Для реализации учебного процесса без перевалки валков при переходе от листовой к сортовой прокатке конструкцией стана предусмотрены комбинированные валки (рис. 7). Твердость поверхности прокатных валков составляет около 40 HRC. На сортовой части валка нарезаны калибры, которые позволяют получить готовый круглый прокат диаметром 5,5 мм, а также изучить особенности проектирования калибровок.

Для управления станом, сбора и обработки информации в состав стана входит пульт управления и шкаф автоматики (см. рис. 1). Автоматизация стана включает в себя измерение скорости прокатки, зазора между валками и усилия прокатки. Прокатные валки приводятся в движение мотор-редуктором с асинхронным двигателем мощностью 5,5 кВт со скоростью вращения до 950 об/мин. Для измерения скорости прокатки применяется инкрементальный энкодер, установленный на валу двигателя мотор-редуктора. Установка и определение зазора между валками осуществляется с помощью шагового двигателя с энко-дером. Для определения усилия прокатки между нажимным винтом и подушкой установлена

Рис. 4. Главная линия прокатного стана ДУО-130: 1 – мотор-редуктор; 2 – муфта; 3 – шестеренная клеть; 4 – универсальный шпиндель; 5 – рабочая клеть Fig. 4. Main line of the rolling mill DUO-130: 1 – motor-reducer; 2 – coupling;

3 – gear cage; 4 – universal spindle; 5 – working stand

Рис. 5. Рабочая клеть прокатного стана ДУО-130: 1 – станина; 2 – универсальные валки; 3 – подушка;

4 – приемно-задающий стол

Fig. 5. Working stand of rolling mill DUO-130: 1 – bed;

2 – universal rolls; 3 – подушка; 4 – receiving-setting table

Рис. 6. Электромеханический нажимной механизм рабочей клети: 1 – подушка; 2 – уравновешивающее устройство; 3 – нажимной винт; 4 – нажимная гайка; 5 – шестерня; 6 – шаговый электродвигатель;

7 – энкодер; 8 – месдоза

Fig. 6. Electromechanical pressure mechanism of the working stand: 1 – pillow; 2 – balancing device; 3 – pressure screw; 4 – pressure nut; 5 – gear; 6 – stepper motor; 7 – encoder; 8 – load cell

Рис. 7. Комбинированный прокатный валок Fig. 7. Combined roll

месдоза типа шайба с максимальным давлением 35 кН (см. рис. 6). Стан представленной конструкции позволяет осуществлять прокатку с максимальным усилием на валки не более 60 кН. Максимально допустимый момент прокатки 710 Нм. Скорость прокатки до 0,3 м/с.

Преобразователь частоты, с помощью которого осуществляется управление двигателем, установлен в шкафу управления станом. Сигналы задания на него поступают с программируемого логического контроллера

(ПЛК) посредством персонального компьютера и сенсорного экрана, расположенного на лицевой панели пульта управления станом (рис. 8). На контроллер поступают сигналы с тензодатчиков через весовые преобразователи. На экран сенсорного монитора выводится информация о технологических режимах прокатки, введенная оператором стана, и энергосиловые характеристики, полученные с датчиков, установленных на стане. Помимо сен сорного экрана на лицевой панели пульта

Рис. 8. Лицевая панель пульта управления станом Fig. 8. Front panel of the mill control panel

(см. рис. 8) располагаются кнопки управления, ручки регулировки скорости и сигнальные лампы. Кнопка аварийного отключения мгновенно останавливает привод стана.

Методические аспекты изучения теоретических и технологических особенностей продольной прокатки

Продольная прокатка является наиболее распространенным способом, которым получают листовой и сортовой прокат. При продольной прокатке деформация заготовки происходит между вращающимися в противоположных направлениях валками. В зависимости от температуры заготовки прокатку принято делить на горячую и холодную, т. е. температурным интервалом определяется, будут ли иметь место процессы упрочнения металла, характерные для холодной деформации, или дефекты кристаллического строения, возникающие при деформации, будут аннигилировать за счет рекристаллизации зерен при горячей деформации [37].

В лабораторных условиях для изучения формоизменения в процессе прокатки традиционно применяется свинец, который не упрочняется в процессе холодной деформации и может моделировать поведение стали в горячем состоянии [38]. Кроме свинца в качестве моделирующего сплава может быть использовано олово, которое также имеет высокие пластические свойства.

Теория и технология прокатки [39] как один из видов обработки металлов давлением [40] имеет ряд законов и закономерностей, которые необходимо знать и уметь применять на практике каждому «прокатчику». Ниже рассмотрим основные из них.

Показатели деформации при прокатке и закон постоянства объема

Плотность металла при обработке давлением изменяется весьма незначительно, поэтому принято считать, что объем металла до деформации равен объему металла после его деформации:

• V 0 = V 1 ,

где V ₀ , V ₁ – объем металла до и после деформации соответственно.

Следовательно, h 0 ⋅ b 0 ⋅ l 0 = h 1 ⋅ b 1 ⋅ l 1 , где h ₀ , b ₀ , l ₀ – высота, ширина, длина полосы до деформации соответственно; h ₁ , b ₁ , l ₁ – высота, ширина, длина полосы после деформации соответственно.

Деформация полосы при обработке давлением характеризуется абсолютными и относительными показателями. Абсолютная деформация характеризуется абсолютными обжатием Δ h = h - h , уширением Δ b = b - b и удлинением Δ l = l ₁ - l ₀. Относительная деформация соответственно относительными обжатием ε _h = Δ hh ₀ , уширением ε _b = Δ bb ₀ и удлинением ε _l = Δ ll ₀ . Под коэффициентами деформации принято понимать коэффициенты обжатия η= h ₁ h ₀, уширения β= b ₁ b ₀ и вытяжки λ= l ₁ l ₀.

Из закона постоянства объема следует, что коэффициенты деформации связаны между собой выражением η ⋅ β ⋅ λ = 1 .

Коэффициент вытяжки λ можно также определить, используя закон постоянства объема, l1    h0 ⋅b0   F0

l0    h1 ⋅b1    F1 , где F0 , F1 – площадь поперечного сечения полосы до и после прокатки соответственно.

При прокатке полосы за n проходов суммарный коэффициент вытяжки λ_∑ определяется

λΣ = λ1 ⋅ λ2 ⋅ λ3 ⋅ ⋅λn, где λ1 , λ2, λ3 , …, λn – коэффициент вытяжки в первом, втором, третьем, …, n -м проходах соответственно.

Средний коэффициент вытяжки определяется

λ с = ⁿ λ Σ .

Для практического подтверждения закона постоянства объема и отработки навыков расчета показателей деформации исходный свинцовый образец после измерений размеров штангенциркулем (рис. 9) прокатывается на «гладкой бочке» (см. рис. 7) за три прохода с абсолютными обжатиями, указанными в табл. 1. Зазор между валками устанавливается с помощью электромеханического нажимного механизма (см. рис. 6) с пульта управления станом (см. рис. 8).

Результаты измерений и расчетов (см.

Рис. 9. Размеры заготовки

Fig. 9. Workpiece dimensions

Таблица 1

Исходные данные и результаты физического моделирования закона постоянства объема

Table 1

Initial data and results of physical modeling of the law of volume constancy

Показатели Исходный образец 1-й проход 2-й проход 3-й проход Высота полосы h , мм 9,00 6,00 4,00 3,00 Ширина полосы b , мм 9,00 10,72 12,26 13,18 Длина полосы l , мм 120,00 151,13 198,10 245,70 Объем V , мм3 9720,00 9719,00 9718,46 9717,90 Абсолютное обжатие Δh , мм 3,00 2,00 1,00 Абсолютное уширение Δb , мм 1,72 1,55 0,92 Абсолютное удлинение Δl , мм 31,15 46,97 47,60 Относительное обжатие εh 0,33 0,33 0,25 Относительное уширение εb 0,19 0,14 0,07 Относительное удлинение εl 0,26 0,31 0,24 Коэффициент обжатия η 0,67 0,67 0,75 Коэффициент уширения β 1,19 1,14 1,07 Коэффициент вытяжки λ 1,26 1,31 1,24 Произведение коэффициентов η⋅β⋅λ 1,00 1,00 1,00 Суммарный коэффициент вытяжки λ∑ 2,05 Средний коэффициент вытяжкиλс 1,27 табл. 1) на практике подтверждают выполнение закона постоянства объемов.

Уширение при продольной прокатке

При прокатке наряду с удлинением металла в направлении прокатки имеет место значительная деформация в поперечном направлении (уширение), оказывающая существенное влияние на характер протекания процесса. Поперечной деформацией или уширением при прокатке называется увеличение ширины прокатываемого материала.

Напряженное состояние полосы при прокатке характеризуется трехосным сжатием (рис. 10), причем в обычных условиях прокатки продольное главное напряжение 0 3 является минимальным, поперечное 0 2 -средним, а вертикальное а - максимальным ( о 1 >а₂ >0 3 ). Так как деформация металла происходит главным образом в направлении наименьшего главного напряжения, то обжимаемый металл при прокатке устремляется преимущественно в продольном направлении.

Именно по этой причине факторы, влияние которых связано с изменением объемного напряженного состояния при прокатке, прежде всего отражаются на ходе продольной деформации. Так, при увеличении обжатия избыток металла в большей мере идет на приращение вытяжки и в меньшей – на увеличение уширения.

Весьма характерно действие таких изменений объемного напряженного состояния, при которых нарушаются условия главным образом по одной из осей деформации. В частности, если увеличивать ширину полосы, то при постоянстве всех прочих условий происходит резкое возрастание поперечных напряжений с соответствующим ростом отношения этого напряжения к продольному. Понятно, что при этом поперечная деформация затрудняется, а продольная облегчается.

Напротив, при прокатке узких полос значения главных напряжений, действующих в горизонтальной плоскости, уже более близки друг к другу, как и величина соответствующих деформаций. При переходе к еще более узким полосам можно наблюдать смену напряжений среднего и минимального, после чего поперечная деформация происходит уже в большей степени, чем продольная.

На величину уширения влияют следующие факторы: высота и ширина полосы, температура и прочностные характеристики прокатываемого материала, величина обжатия, число проходов, угол захвата, диаметр валков, скорость прокатки, условия смазки и т. п.

Уширение является нежелательным фактором при прокатке, так как вызывает появление растягивающих напряжений в боковых кромках полосы и образование трещин. В связи с этим при прокатке следует стремиться к исключению действия факторов, вызывающих интенсивную деформацию в поперечном направлении. Для этого необходимо оценить влияние на уширение различных технологических параметров. При промышленной прокатке из всех перечисленных выше факторов, влияющих на уширение, большинство жестко задано маркой сплава, конструкцией стана, технологическими ограничениями. Единственным параметром, которым можно реально управлять, является обжатие и число проходов.

Для исследования влияния обжатия свинцовой полосы на ее уширение проводится экспериментальная прокатка трех образцов разного размера за два прохода каждый с различными обжатиями. Пример выбора заготовки, режимов обжатий и результаты эксперимента приведены в табл. 2.

Рис. 10. Напряженно-деформированное состояние металла при прокатке

Fig. 10. Stress-strain state of metal during rolling

Таблица 2

Исходные данные и результаты физического моделирования влияния обжатия полосы на уширение

Рис. 11. Зависимость абсолютного уширения от абсолютного обжатия Fig. 11. Dependence of the absolute broadening on the absolute reduction

Table 2

Initial data and results of physical modeling of the effect of strip compression on broadening

Показатели	Образец 1		Образец 2		Образец 3
Номер прохода	1	2	1	2	1	2
Высота заготовки h о , мм	9,00	7,50	10,00	8,00	11,00	8,50
Ширина заготовки b о , мм	9,00	9,68	10,00	10,93	11,00	12,20
Высота полосы h , мм	7,50	4,50	8,00	4,50	8,50	4,50
Ширина полосы b 1 , мм	9,68	11,88	10,93	13,76	12,20	15,73
Абсолютное обжатие A h , мм	1,50	3,00	2,00	3,50	2,50	4,00
Абсолютное уширение A b , мм	0,68	2,19	0,93	2,83	1,20	3,53

Таблица 3

Исходные данные и результаты физического моделирования влияния состояния поверхности полосы и валков на уширение

Table 3

Initial data and results of physical modeling of the influence of the state of the surface of the strip and rolls on the broadening

Номер образца	Вид смазки	Размеры заготовки			Размеры полосы			Абсолютное обжатие A h , мм
		высота h о , мм	ширина b о , мм	длина l о , мм	высота h 1 , мм	ширина b 1 , мм	длина l 1 , мм
1	Мел	9,00	9,00	120,00	5,00	11,98	162,20	2,98
2	Масло	9,00	9,00	120,00	5,00	10,57	184,00	1,57

По результатам эксперимента построена зависимость уширения от обжатия (рис. 11). Зависимость хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

Для исследования влияния коэффициента трения на уширение проводится моделирующая прокатка с применением различных смазочных материалов (табл. 3).

Для оценки влияния ширины полосы на уширение проводится экспериментальная прокатка полос шириной 20, 30 и 40 мм с об- жатием 30 %. По полученным результатам строится зависимость Ab/Al = f (Ьср Ц), где bср – средняя ширина полосы в очаге деформации, которую находят по формуле Ьср = (b0 + b 1)/2, а l — длина очага деформации, определяемая как l = VAh ■ R (R - радиус валка), а также зависимость коэффициентов вытяжки и уширения от ширины заготовки (Х = f (bo) и р = f (bo)).

Условие захвата металла валками и определение коэффициента трения

Определяющим фактором процесса прокатки является коэффициент трения, влияющий на захватывающую способность валков, процесс прокатки, уширение и опережение, силовые условия и др.

Для экспериментального определения коэффициента трения используется несколько способов, простейшим из которых является способ максимального угла захвата.

При соприкосновении металла с валками на него действуют две силы N , нормально направленные к поверхности валков в точке соприкосновения металла с валками, и две силы трения T , направленные по касательной в точке соприкосновения (рис. 12).

Проецируя силы N и T на ось прокатки X и исходя из условия равновесия всех сил в зоне деформации, получим

N x = T x .

Сила N = N • sin а стремится вытолкнуть металл из валков, а сила T = T • cos а - втя-x нуть металл в валки.

Очевидно, что захват металла валками произойдет, если

Т • cos а> N • sin а .

Угол а , образованный направлением действия нормальной силы N и геометрической осью OO ' , соответствующий углу, при котором осуществляется захват металла силами трения T и втягивание его в очаг деформации, называется углом захвата.

Силы трения T при прокатке связаны с силами нормального давления N законом Кулона

T = f • N, где f – коэффициент трения.

Для осуществления захвата металла валками и начала прокатки необходимо, чтобы T x > N x . Тогда условие захвата металла валками запишется следующим образом:

tg a <  f .

Используя условие захвата полосы валками, определим коэффициент трения при прокатке f = tgамакс, где а - максимальный угол захвата, котомакс рый определяется из геометрических соотношений (см. рис. 12)

амакс = arccos ^1 — ^^мОкс ^, где Nhмакс - максимальное обжатие образца; D – диаметр валков, мм.

Рис. 12. Равновесие сил при естественном захвате

Fig. 12. Balance of forces in natural capture

Таблица 4

Исходные данные и результаты физического моделирования условий захвата металла валками

Table 4

Initial data and results of physical modeling of the conditions for gripping metal by rolls

Показатели	Условия протекания процесса
	сухие валки		валки с мелом
Номер прохода	1	2	1	2
Высота полосы на входе h 0 , мм	12,00	9,50	12,00	6,00
Высота полосы на выходе h 1 , мм	9,5	6,70	6,00	0,50
Максимальное обжатие A h   , мм макс	2,5	2,80	6,00	5,50
Максимальный угол захвата, рад	0,20	0,21	0,31	0,29
Средний максимальный угол захвата а макс, рад	0,20		0,30
Коэффициент трения f	0,20		0,31

Для моделирования условий захвата металла валками осуществляется прокатка двух одинаковых образцов в первом случае на сухих чистых валках, а во втором – на смазанных мелом валках за два прохода каждый (табл. 4). При экспериментальном изучении условий захвата металла валками максимальное обжатие образца фиксируется при плавном изменении раствора между валками от минимального размера до момента, когда образец начинает двигаться в направлении прокатки под действием сил трения.

Из полученных результатов можем видеть, что угол захвата при прочих равных условиях зависит от состояния поверхности валков (наличие или отсутствие мела), т. е. коэффициента трения.

Опережение при продольной прокатке

При прокатке на выходе из очага деформации скорость полосы больше окружной скорости валков. Относительная величина, характеризующая, на сколько скорость полосы на выходе из очага деформации больше окружной скорости валков, называется опережением.

Опережение определяется следующим образом:

i =

v 1 - v в v _в

где v ₁ – скорость полосы на выходе из очага деформации; v _в – окружная скорость валков.

Скорость полосы на входе в очаг деформации v всегда меньше окружной скорости валков.

Таким образом, имеет место неравенство v0 < vв < vl-

Естественно предположить, что в пределах очага деформации имеется поперечное сечение, в котором скорости металла и валков равны. Это сечение называют критическим, а его координату - критическим углом у . Кри- тическое сечение делит зону деформации на две части: зону отставания и зону опережения.

Величину опережения можно найти по формуле Финка

h1 + D -(1 - cos у)i =------------------ - cos у -1

h 1

или по формуле Головина – Дрездена

D

i =----

2 - h

-Y -

Критически угол у может быть опреде- лен по зависимости

«0 ^у = 1"^-

где « " - угол захвата, который можно определить по упрощ енной формуле

I 2 -A h

а0 = J-----.

0 _D

Как видно из формулы Головина – Дрездена, чем больше диаметр валков и чем меньше конечная толщина полосы, тем больше опережение. Опережение также зависит от величины критического угла, и все факторы, влияющие на критический угол (угол захвата, коэффициент трения, натяжение, сопротивление деформации и др.), оказывают влияние и на опережение.

Наиболее простым практическим методом для определения опережения является метод керновых отпечатков, который состоит в следующем. На поверхности одного из валков или на обоих валках в плоскости, перпендикулярной продольной оси валка, нанесены керном углубления на расстоянии l одно от другого. После прокатки на полосе остаются отпечатки этих углублений, расстояние между которыми равно l ₁ (рис. 13).

Окружную скорость валка можно выразить через длину l _в

• ve = ¹ в К ,

где t – время поворота валков на угол, соответствующий дуге длиной l _в .

Скорость полосы на выходе из очага деформации можно выразить через расстояние между отпечатками на полосе

• V 1 = 11 /t .

Следовательно, выражение для определения опережения примет вид

• _;   ^v 1 - v в    l 1 - ¹ в

i ==.

vl вв

Для экспериментального исследования опережения использует два свинцовых образца одинаковых размеров (табл. 5).

Первый и второй образцы прокатаны за два прохода с одинаковыми обжатиями. Первый образец прокатывался на чистых валках, а второй – на смазанных мелом валках. Как видим, условия прокатки, а именно наличие

Рис. 13. Керновой метод определения опережения Fig. 13. Core method for determining the advance

Таблица 5

Исходные данные и результаты физического моделирования опережения при прокатке

Table 5

Initial data and results of physical modeling of advance during rolling

Показатели Условия протекания процесса сухие валки валки с мелом Номер прохода 1 2 1 2 Высота полосы на входе h0 , мм 12,00 9,50 12,00 9,50 Расстояние между углублениями на валке l , мм 50,00 50,00 50,00 50,00 Высота полосы на выходе h1 , мм 9,50 7,50 9,50 7,50 Расстояние между отпечатками на полосе l1 , мм 51,50 51,65 52,10 52,20 Абсолютное обжатие Ah, мм 2,50 2,00 2,50 2,00 Угол захвата «о, рад 0,20 0,18 0,20 0,18 Опережение i 0,03 0,03 0,04 0,04 Критический угол у, рад 0,07 0,06 0,08 0,07 Коэффициент трения f 0,30 0,30 0,49 0,47 мела на поверхности валков привело к увеличению опережения с 0,03 до 0,04. В каждом проходе по экспериментально полученной величине опережения был рассчитан коэффициент трения, который составил 0,30 для сухих валков и 0,47 или 0,49 – для смазанных мелом валков.

В данной работе рассмотрены особенности физического моделирования прокатки на учебно-исследовательском стане ДУО-130 для подтверждения и изучения некоторых основных законов и закономерностей течения металла в валках. В ходе исследований была задействована «гладкая бочка» прокатного валка. Изучение особенностей поведения металла в калибрах является задачей очень объемной и требующей отдельного рассмотрения вопросов, связанных с поведением металла при сортовой прокатке, правилами проектирования калибров и определения причин образования дефектов сортовых профилей. Этому мы планируем посвятить нашу следующую публикацию. Также заслуживает отдельного рассмотрения вопрос определения энергосиловых параметров прокатки экспериментальным путем с применением системы автоматизации стана ДУО-130, которая позволяет не только определять усилие прокатки, но и выводить на экран и сохранять в файлы зафик- сированные значения в виде осциллограмм, графиков, диаграмм и массивов данных.

Заключение

Учебно-исследовательский прокатный стан ДУО-130, спроектированный и изготовленный ООО НПП «Учтех-Профи» для образовательных и исследовательских организаций, имеет конструктивные особенности, характерные для типовых прокатных станов, применяемых в современном прокатном производстве, что делает его востребованным при подготовке инженерных кадров для металлургических предприятий. Автоматизированная система управления станом, сбора, обработки и хранения цифровой информации позволяет применять его для исследования процесса прокатки как в образовательных, так и исследовательских целях. На примере физического моделирования основных законов и закономерностей процесса прокатки, а именно закона постоянства объема, условий захвата металла валками, закономерностей опережения и отставания, уширения и влияния коэффициента трения на эти показатели, показаны методические аспекты применения современного учебного оборудования в образовательном процессе в вузах и колледжах при изучении теории и технологии прокатки.