Исследования напряженно­деформированного состояния металла на начальной стадии прокатки железнодорожных рельсов

На основании исследований процессов формирования напряженно­деформированного металла при прокатке железнодорожных рельсов в черновых клетях универсального рельсобалочного стана, проведенных с использованием программного комплекса DEFORM­3D, определены особенности распределения критерия Кокрофта­Лэтэма по сечению раската для калибров различной формы. Установлен крайне неравномерный характер распределения критерия Кокрофта­Лэтэма по сечению раската. По полученным данным в осевой зоне значения указанного критерия минимальны, а в приповерхностных слоях наибольшее значение критерия Кокрофта­Лэтэма и, соответственно, наибольшая вероятность образования дефектов имеют место вблизи вертикальной оси калибров. В калибрах сложной формы («трапеция», «лежачая трапеция», рельсовые калибры) выявлено наличие локальных зон с максимальным значением критерия КокрофтаЛэтэма, расположенных в местах формирования подошвы рельсового профиля, а для прокатки в калибре типа «трапеция» характерно наличие такой области также в приповерхностной зоне вблизи вертикальной оси калибра. В рамках определения закономерностей формирования схемы напряженно­деформированного состояния металла на начальной стадии прокатки рельсов установлена прямая взаимосвязь между неравномерностью распределения температуры по сечению раската и значениями (максимальными и средними по сечению) критерия Кокрофта­Лэтэма. При этом показано, что неравномерность распределения температуры по сечению раската имеет тенденцию к снижению при увеличении коэффициентов вытяжек по проходам и повышении частоты кантовок независимо от формы используемых калибров. Для калибров сложной формы установлено, что в дополнение к перечисленным параметрам значимое влияние на снижение температурной неоднородности также оказывает повышение подобия формы подката и используемого калибра. На основании результатов проведенных теоретических исследований разработан новый режим прокатки железнодорожных рельсов, опытно­промышленное опробование которого в условиях универсального рельсобалочного стана АО «ЕВРАЗ ЗСМК» показало снижение отбраковки рельсов на 0,78 % по сравнению с ранее использовавшимся режимом прокатки.

1. Сметанин С.В., Перетятько В.Н., Волков К.В. Исследования напряженно­деформированного состояния металла при прокатке трамвайных рельсов в универсальном четырехвалковом калибре // Сталь. 2014. № 7. С. 36–39.

2. Перетятько В.Н., Сметанин С.В. Исследования напряженного состояния металла при прокатке в четырехвалковых разрезных калибрах // Заготовительные производства в машиностроении. 2015. № 1. С. 28–33.

3. Скосарь Е.О., Шилов В.А. Температурное и напряженно­деформированное состояние металла при прокатке рельсов // Известия вузов. Черная металлургия. 2012. Т. 55. № 11. С. 63, 64.

4. Кинзин Д.И., Рычков С.С. Использование программного комплекса DEFORM­3D при моделировании процессов сортовой прокатки // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2011. № 2. С. 45–48.

5. Песин А.М., Салганик В.М., Пустовойтов Д.О., Курбан В.В., Молостов М.А., Васильев И.С., Лошкарев М.А. Моделирование поведения поперечных трещин непрерывнолитых слябов при черновой прокатке на широкополосных станах горячей прокатки // Черная металлургия. Бюллетень научно­технической и экономической информации. 2011. № 5 (1337). С. 48–52.

6. Raab G.I., Raab A.G., Aleshin G.N., Kodirov I.S. Relationship between the stress­strain state and the imperfection of the structure of metals with SPD shear // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 672. No. 1. Article 012031. http://doi.org/10.1088/1757-899X/672/1/012031

7. Shishov I., Kolbasnikov N. Investigation of the metal stress­strain state peculiarities associated with the plate temperature feld irregularity during rough rolling. In book: METAL 2014 – 23rd Int. Conf. on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings. 2014. P. 407–411.

8. Kotrechko S.A., Popovich V.A. Effect of the characteristics of lowtemperature plastic deformation of metals with bcc lattice on the stress­strain state at the tip of a macrocrack // Strength of Materials. 2002. Vol. 34Y. No. 5. P. 456–461. https://doi.org/10.1023/A:1021046510298

9. Колбасников Н.Г., Шишов И.А., Корчагин А.М., Беляев А.А. Исследование влияния неравномерности температурного поля раската на характер напряженно­деформированного состояния металла в очаге деформации при прокатке толстого листа // Научно­технические ведомости Санкт­Петербургского государственного политехнического университета. 2013. № 4­1 (183). С. 183–192.

10. Кинзин Д.И., Рычков С.С. Оценка эффективности калибровки сортовых профилей на основе программного комплекса DEFORM 3D // Моделирование и развитие процессов ОМД. 2011. № 1. С. 92–95.

11. Полевой Е.В., Волков К.В., Головатенко А.В., Атконова О.П., Юнусов А.М. Совершенствование технологии производства рельсов на ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно­Сибирский металлургический комбинат» // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2013. № 4. С. 26–28.

12. Shaburov D.V., Popov A.E., Zagumennov O.V. Rail production on a universal mill // Steel in Translation. 2016. Vol. 46. № 7. P. 503, 504. https://doi.org/10.3103/S0967091216070111

13. Toschi F., Lainati A., Mazzarano A. The production of railway rails in modern and efcient plants – The new ARBZ rail mill // AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2017. № 3. P. 2543–2552.

14. Lainati A. The rolling mill for rails and structural sections at Arbz // AISTech – Iron and Steel Technology Conference Proceedings. 2018. May. P. 2443–2454.

15. Gołdasz A., Malinowski Z., Hadała B., Rywotycki M. Influence of the radiation shield on the temperature of rails rolled in the reversing mill // Archives of Metallurgy and Materials. 2015. Vol. 60. No. 1. P. 275–279. http://doi.org/10.1515/amm-2015-0044

16. Kumar P., Singh A.P., Gupta I.N.P., Dubey P.K. Up­grading reheating furnaces at the rail & structural mill of Bhilai Steel Plant // Steel Times International. 2010. Vol. 34. No. 2. P. 38–42.

17. Dong Y.­G., Zhang W.­Z., Song J.­F. Theoretical and experimental research on rolling force for rail hot rolling by universal mill // Journal of Iron and Steel Research International. 2010. Vol. 17. No. 1. P. 27–32. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(10)60040-4

18. Guo Y.­J., Xie Z.­J., Wang Y.­Z., Tao G.­M. Multiplex analytical method for metal three­dimensional flow of heavy rail rolling by universal mill // Chongqing Daxue Xuebao / Journal of Chongqing University. 2010. Vol. 33. No. 1. P. 31–35.

19. Guo Y., Xie Z., Wang Y., Tao G., Yang Q. Study on optimization model of rolling parameters of high speed rail by universal mill // Zhongguo Jixie Gongcheng / China Mechanical Engineering. 2010. Vol. 21. No. 10. P. 1200–1202.

20. Song J.­F., Zhang J.­T., Dong Y.­G. Theoretical and experimental research on the law of longitudinal flow in rail universal rolling // Suxing Gongcheng Xuebao / Journal of Plasticity Engineering. 2013. Vol. 20. No. 3. Р. 10–15.

21. Liu Y., Wang Y., Zhu H., Chen L.E. Effects of continuous rolling speed change rates on geometric dimension between two racks when rolling rail by universal pass // Advanced Materials Research. 2012. Vol. 538­541. Р. 2941–2944. https://doi.org/10.4028/www.scientifc.net/AMR.538-541.2941

22. Dong Y., Zhang W., Song J. Theoretical and experimental research on the elongation law of the rail in rail rolling by a universal mill // Jixie Gongcheng Xuebao / Journal of Mechanical Engineering. 2010. Vol. 46. No. 6. P. 87–92. https://doi.org/10.3901/JME.2010.06.087

23. Dong Y., Zhang W., Song J. Theoretical and experimental research on the spread of the head of rail in rail rolling by a universal mill // Zhongguo Jixie Gongcheng / China Mechanical Engineering. 2009. Vol. 20. No. 8. P. 1004–1007.

24. Харламов А.А., Латаев А.П., Галкин В.В., Уланов П.В. Моделирование обработки металлов давлением с помощью комплекса «DEFORM» // САПР и графика. 2005. № 5. С. 2–4.

25. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир, 2006. 464 с.

26. Kobayashi S., Oh S.­I., Altan Т. Metal Forming and the Finite­Element Method. Oxford: Oxford University Press, 1989. 333 p.

27. Уманский А.А., Дорофеев В.В., Думова Л.В. Разработка теоретических основ энергоэффективного производства железнодорожных рельсов с повышенными эксплуатационными свойствами // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 5. С. 318–326. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-318-326

28. Уманский А.А., Головатенко А.В., Симачев А.С., Дорофеев В.В., Осколкова Т.Н. Исследования пластичности и сопротивления деформации легированных рельсовых сталей в температурном интервале прокатки // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 6. С. 452–460. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-6-452-460

29. Уманский А.А., Темлянцев М.В., Симачев А.С., Думова Л.В. Исследование влияния микроструктуры непрерывнолитых заготовок рельсовой стали К76Ф на сопротивление пластической деформации // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2020. № 2. С. 32–37.

30. Уманский А.А., Кадыков В.Н., Мартьянов Ю.А. Математическое моделирование напряженно­деформированного состояния металла при прокатке в сортовых калибрах // Известия вузов. Черная металлургия. 2014. Т. 57. № 2. С. 10–14.