7 Контрольные вопросы

1. Какое явление называют опережением и отставанием?

2. Что такое нейтральное сечение?

3. Какие факторы влияют на положение нейтрального сечения в очаге деформации при прокатке?

4. Как уширение влияет на величину опережения?

5. Каким соотношением связаны между собой опережение и отставание?

6. Приведите примеры практической значимости опережения при прокатке.

7. Определить максимально возможное значение нейтрального угла для свободной прокатки.

8. Как изменится опытная величина опережения при смещении кернов с середины полосы на ее край?

8 Литература

1. Бахтинов В.Б. Технология прокатного производства. – М.: Металлургия, 1983.

2. Зотов В.Ф. Производство проката. – М.: Интермет Инжиниринг, 2000.

3. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. М.: Металлургия, 1980.

Лабораторная работа 5

Исследование уширения металла при прокатке

1 Цель работы

Закрепление знаний основных закономерностей течения металла при прокатке; изучение влияние ширины полосы и обжатия на величину абсолютного и относительного уширения при прокатке; исследование влияние ширины полосы на соотношение между продольной и поперечной деформацией.

2 Теоретическое введение

В процессе прокатки происходит постепенное уменьшение высоты полосы. Смещенный по высоте объем металла перемещается в длину и ширину. Смещение объема металла в продольном направлении приводит к увеличению длины полосы (продольная деформация), смещение объема металла в поперечном направлении – к уширению (поперечная деформация). Высотная, продольная и поперечная деформации связаны между собой условием постоянства объема металла при прокатке:

,

где h₀, b₀, l₀ – толщина, ширина и длина полосы до прокатки, мм;

h₁, b₁, l₁ – толщина, ширина и длина полосы после прокатки, мм.

Из уравнения постоянства объема металла следует

(5.1)

или

. (5.2)

Следовательно, при данном обжатии продольная деформация тем больше, чем меньше уширение, и наоборот.

Уширение при прокатке может быть свободным, ограниченным и вы-

нужденным. Свободным называют уширение прямоугольной полосы, прокатываемой в валках с гладкой цилиндрической бочкой. При свободном уширении частицы металла, перемещающиеся в поперечном направлении, не встречают никаких внешних препятствий в виде стенок калибров (имеет место лишь обычное контактное трение). При ограниченном уширении поперечное перемещение прокатываемого металла ограничивается боковыми гранями калибра.

Вынужденным называют уширение, вызванное формой калибра, обусловливающей неравномерное обжатие прокатываемой полосы по ее ширине.

Уширение в большинство случаев представляет собой отрицательное явление. Оно снижает общую вытяжку и вызывает в боковых кромках полосы значительные напряжения растяжения. Уширение имеет большое значение для процесса прокатки и поэтому должно приниматься во внимание. Особенно точно следует учитывать величину уширения при прокатке в калибрах, т.к. от этого зависит качество получаемого профиля.

Основная цель прокатки – удлинение металла. Поэтому нужно всемерно противодействовать уширению, способствуя максимальной продольной деформации.

Величина уширения при прокатке в гладких валках зависит от соотношения главных напряжений в очаге деформации (рисунок 5.1). Чем меньше поперечное напряжение (по абсолютной величине), тем больше при прочих равных условиях уширение. При определенных соотношениях напряжений поперечная деформация может быть больше продольной.

На соотношение главных напряжений, а, следовательно, и на величину уширения оказывают влияние геометрические, физические и механические факторы. К геометрическим факторам относят величину обжатия, диаметр валков, ширину и толщину полосы. К механическим факторам относят наличие внешних зон прокатываемого металла, натяжение, подпор. К физическим – коэффициент трения. Все факторы, влияющие на коэффициент трения (температура, материал и шероховатость валков, скорость прокатки и т.п.), влияют тем самым на величину уширения.

а б

Рисунок 5.1 – Очаг деформации при прокатке в гладких валках (а) и схема главных напряжений (б)

Одним из основных параметров при прокатке, определяющих величину уширения, является обжатие, с его повышением уширение также повышается. Это объясняется тем, что при росте обжатий смещенный объем металла по высоте увеличивается и, соответственно, объем металла, смещенный в поперечном и продольном направлении, также возрастает. Кроме того, при увеличении обжатия увеличивается длина очага деформации, определяемая по формуле

, (5.2)

где – радиус валков, мм;

– абсолютное обжатие, мм.

Следовательно, при увеличении длины очага деформации в соответствии с законом наименьшего сопротивления увеличиваются зоны стремления деформации металла к уширению (рисунок 5.2), и, соответственно, увеличивается сопротивление продольному перемещению (увеличивается величина подпирающих сил трения в продольном направлении).

Увеличение диаметра валков способствует росту протяженности очага деформации и увеличению сил трения в продольном направлении. Соответст-

венно смещение металла в поперечном направлении будет увеличиваться. Та-

к им образом, с увеличением диаметра валков уширение увеличивается.

а б

I – зоны стремления деформации металла к удлинению; II – зоны стремления деформации металла к уширению

а – короткий очаг деформации; б – длинный очаг деформации

Рисунок 5.2 – Схемы очага деформации

Влияние ширины полосы на уширение неоднозначно и зависит от соотношения размеров очага деформации при прокатке.

Если ширина прокатываемой полосы меньше длины очага деформации, то такой очаг называется узким, и в соответствии с законом наименьшего сопротивления, зоны стремления деформации металла к уширению с обеих сторон полосы соприкасаются (рисунок 5.3, а).

По мере роста ширины полосы площадь условных зон стремления металла к уширению (II) растет до своего максимума (рисунок 5.3, б) – критический очаг деформации и далее остается постоянной (рисунок 5.3, в) – широкий очаг деформации

Влияние ширины полосы на величину уширения без учета влияния внешних зон должно характеризоваться ломаной линией 1 на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Влияние ширины полосы на величину уширения: 1 – без учета влияния внешних зон; 2 – с учетом влияния внешних зон

Однако реальный процесс прокатки протекает в условиях наличия внешних недеформированных зон, которые изменяют характер уширения.

Действие внешних зон на уширение состоит в стремлении выровнять вытяжки в продольном направлении в центральных и боковых частях прокатываемой полосы. Благодаря действию внешних зон дополнительные продольные напряжения растяжения возникают не только в боковых частях полосы в контактной зоне деформации, но и в тех боковых ее частях, которые находятся во внеконтактных зонах деформации на входе в валки и на выходе из них. В прилегающих к ним зонах по ширине полосы возникают дополнительные продольные напряжения сжатия, уравновешивающие в каждом рассматриваемом сечении внешних зон тела напряжения растяжения.

В результате часть металла боковых зон II (рисунок 5.3) смещается в направлении длины, а часть металла из зоны I смещается в поперечном направлении, т.е. происходит перераспределение металла между зонами. Итоговый результат зависит от величины дополнительных напряжений и их соотношения с величиной контактных напряжений. В случае b₀<l_д площадь зон II возрастает, при b₀ l_д – остается примерно постоянной и при b₀>l_д площадь зон II уменьшается (границы раздела зон очага деформации показаны пунктиром).

С учетом влияния внешних зон зависимость уширения от ширины полосы характеризуется кривой 2 на рисунке 5.4.

Аналогичное влияние на уширение оказывают переднее и заднее натяжения, с повышением которых уширение уменьшается.

При повышении коэффициента трения возрастают как продольные, так и поперечные напряжения. Однако первые растут более интенсивно. Поэтому с увеличением коэффициента трения уширение также возрастает.

Температура, состав прокатываемой стали, скорость прокатки, материал и шероховатость валков оказывают влияние на уширение через коэффициент трения. При изменении этих факторов изменяется коэффициент трения, который в свою очередь, влияет на уширение.

Определение величины уширения с учетом всех факторов, влияющих на него, является сложной задачей. Поэтому большинство формул для подсчета уширения содержат только основные факторы, а действие остальных учитывается соответствующими коэффициентами.