К 70-летию кафедры ОМД (прокатки). Состояние и перспективы развития энергетической теории прокатки

Идея применения фундаментальных энергетических законов для анализа процессов обработки металлов давлением принадлежит выдающемуся металлургу, основателю кафедры обработки металлов давлением Уральского политехнического института Акиму Филиповичу Головину (1880–1949 гг.). Однако наиболее масштабное развитие она получила в Челябинском политехническом институте, когда в 1955 г. кафедру обработки металлов давлением возглавил ученик А.Ф. Головина Владимир Николаевич Выдрин (1920– 1988 гг.). Основы энергетической теории были в обобщенном виде представлены в докторской диссертации В.Н. Выдрина в 1961 г.

Энергетическая теория прокатки сначала была основана на двух фундаментальных физических законах – законе сохранения энергии и законе наименьшей энергии. Несколько позже система уравнений была дополнена интегральными уравнениями равновесия, в результате чего был разработан энергостатический метод расчета технологических параметров.

Такой подход оказался очень продуктивным как с точки зрения развития теории обработки металлов давлением, так и в качестве основы для создания новых, высокоэффективных технологических процессов [1].

Начало использования основных положений энергетической теории для разработки новых технологических процессов может быть отнесено к 1966 г., когда на основе теоретических разработок был предложен принципиально новый процесс, названный прокатка-волочение. Это изобретение, признанное пионерским, дало начало новому большому направлению, в ходе реализации которого разработан комплекс технических решений, около 100 из них признаны изобретениями и запатентованы в США, Германии, Японии, Англии, Франции и Швеции. Для освоения процесса прокатки-волочения ВНИИМЕТМАШем был спроектирован и установлен на площадке Новосибирского металлургического завода опытно-промышленный стан ПВ-800 (рис. 1).

Кроме этого, энергетическая теория взаимодействия деформируемой полосы и валков позволила решить ряд проблем производства фасонных профилей высокой точности как при прокатке, так и при волочении в роликовых волоках. Определенные успехи были достигнуты в области производства периодических профилей, в частности, впервые на отечественных предприятиях было освоено производство винтового периодического профиля, профилей с внутренними каналами, про-

Рис. 1. Опытно-промышленный стан ПВ-800

Fig. 1. Pilot-industrial mill PV-800

филей для малолистовых рессор. Широкое применение нашел процесс горячего калибрования на сортовых станах с использованием калибрующих блоков. Было сформулировано энергетическое условие захвата полосы валками. Масштабные исследования позволили создать новую технологию и оборудование для прокатки труднодеформируемых материалов, в том числе порошковых.

На основе энергетической теории разработан новый способ шаговой прокатки, названный прокатка-ковка (ПК), обобщение результатов исследований в данном направлении приведено в работе [2]. На первом опытнопромышленном стане ПК-600, установленном на Челябинском металлургическом комбинате (рис. 2), в 1988 г. начато производство продукции [3]. В дальнейшем были разработаны и нашли применение в промышленности станы ПК 175, ПК-200, ПК-280. Развитием научных идей В.Н. Выдрина явилось создание новых принципов в технологии и оборудовании для шаговой прокатки, защищенных десятками патентов РФ, которые использованы при создании перспективных промышленных технологий и оборудования [4].

В период с 1960 по 1969 г. на основе энергетической теории было защищено 17 кандидатских диссертаций, в 1970–1979 гг. защищено 30 кандидатских диссертаций, в 1980–1989 гг. защищено 23 кандидатские диссертации. К сожалению, в период с 1990 по 2010 г. из-за кардинальных экономических перемен в стране научно-техническое развитие существенно затормозилось и в этот период кандидатские диссертации защитили только пять соискателей.

В 2005 г. энергетическая теория прокатки получила новый импульс к развитию в научноисследовательском институте трубной промышленности, где благодаря поддержке Трубной металлургической компании начали возрождаться научные исследования. В первую очередь можно отметить ряд работ, посвященных применению энергетической теории к анализу процессов непрерывной раскатки гильз. При этом рассмотрены все применяемые в настоящее время варианты осуществления процесса непрерывной раскатки. В частности, на основе энергетической теории разработана математическая модель и программный продукт для ее реализации, позво-

Рис. 2. Опытно-промышленный стан ПК-600

Fig. 2. Pilot-industrial mill PK-600

лившие разработать методику расчета скоростного режима непрерывного раскатного стана, оснащенного двухвалковыми клетями и работающего с использованием плавающей оправки [5]. Результаты работы были использованы для анализа скоростного режима непрерывного раскатного стана компании IPSCO Koppel Tubulars (г. Эмбридж, США). Энергетическая теория прокатки нашла применение для анализа работы наиболее современного в настоящее время непрерывного раскатного стана – стана, оснащенного клетями с трехвалковыми калибрами и контроли-руемо-перемещаемой оправкой [6]. При этом впервые выявлены зависимости, описывающие влияние скорости перемещения оправки на энергосиловые параметры процесса деформации. В результате скорректированы скоростные режимы действующего непрерывного стана, что позволило снизить риск возникновения аварийных ситуаций. Также энергетическая теория прокатки применена при исследовании закономерностей процесса непрерывной раскатки гильз на стане, оснащенном клетями с двухвалковыми калибрами и контролируемо-перемещаемой оправкой [7]. Итогом выполненной работы стала технология получения товарных труб из нержавеющих марок стали на трубопрокатном агрегате с непрерывным раскатным станом, позволившая создать реальную альтернативу процессу производства подобных труб прессованием.

Применение энергетической теории позволило развить разработанное ранее условие захвата при прокатке сплошных профилей [8] на случай деформирования полых профилей на оправке [9]. Особенностью полученного условия является учет сопротивления продвижению метала со стороны оправки как в очаге деформации, так и в промежутке между клетями. Применение данного условия в системе ограничений позволило разработать технологию непрерывной раскатки гильз на стане с клетями, оснащенными трехвалковыми калибрами и контролируемо-перемещаемой оправкой, позволившую получать сверхточные трубы по толщине стенки.

Энергетическая теория прокатки также нашла применение при анализе процесса непрерывной безоправочной прокатки труб [10]. Это дало возможность разработать новый подход к повышению эффективности процесса редуцирования труб за счет снижения расхода металла в результате уменьшения длин утолщенных концов труб на основе усовершенствования скоростного режима редукционного стана.

Об универсальности энергетической теории свидетельствует то, что с ее помощью разработана математическая модель процесса вальцевой формовки труб большого диаметра, который по своей кинематике существенно отличается от традиционных процессов прокатки [11].

По работам, выполненным с использованием энергетической теории в области трубного производства, в период с 2011 по 2022 г. защищено пять диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

В настоящее время энергетическая теория прокатки развивается ее последователями не только в Челябинске. Интересные работы выполнены специалистами Выксунского металлургического завода, которые посвящены анализу процесса прошивки на одном из самых современных прошивных станах, оснащенных приводными удерживающими дисками Дишера [12].

Развитие энергетической теории в современных условиях продолжается на кафедре процессов и машин обработки металлов давлением Южно-Уральского государственного университета. В основном исследуются процессы непрерывной прокатки как наиболее сложные для теоретического анализа. На основе этой теории разработана имитационная модель процесса горячей непрерывной прокатки полос, позволяющая рассчитывать скоростной режим чистовой группы клетей широкополосного стана [13]. К разработке уже проявил интерес Челябинский металлургический комбинат. Полученная имитационная модель и программный продукт для ее реализации находятся в постоянном усовершенствовании и уточнении для учета как можно большего количества факторов и соответствующего повышения достоверности модели. Кроме этого, на стадии выполнения находятся работы по созданию имитационных математических моделей на основе энергетической теории применительно к таким процессам холодной пластической деформации, как волочение и прокатка тонких и тончайших лент. В обоих направлениях рассматривается пластическое деформирование как монометаллов, так и различных композитов.

Энергетическая теория использована также при анализе процесса радиальной ковки, по результатам которого разработан ряд новых постоянно используемых на практике технических решений по горячей и холодной радиальной ковке труб, шестигранных, полосовых и фасонных профилей [2, 14]. Указанные разработки защищены более 20 патентами РФ.

В заключение следует отметить, что энергетическая теория может быть использована не только для анализа непосредственно процессов пластической деформации при обработке металлов давлением, но и при анализе сопутствующих процессов. Так, например, в работе [15] с помощью энергетической теории рассмотрена задача по описанию процесса течения линейно-вязкой жидкости, сжимаемой плоскими плитами с противонаправленным скольжением на контакте с этими плитами. Результаты решения задачи могут быть полезными при анализе условий контактного взаимодействия межу деформирующим инструментом и деформируемым металлом в условиях жидкостного трения.