Исследование теплового состояния длинных оправок трехвалкового раскатного стана

Разработана методика численного анализа теплового состояния длинных оправок трехвалкового раскатного стана с использованием современных программных средств компьютерного моделирования. Определены начальные и граничные условия, учитывающие особенности раскатки в трехвалковом стане винтовой прокатки на длинной оправке. Проведена качественная оценка теплового состояния длинной оправки, посредством визуализированного представления установлена его существенная неоднородность. Выявлено влияние температуры раскатки и диаметра длинной оправки. Оправки малого диаметра разогреваются до более высоких температур (577 °С) при существенно меньшем градиенте между осевой зоной и поверхностью. Увеличение диаметра оправки до 154 мм снижает температуру наружной поверхности до 530 °С и увеличивает температурный градиент в приповерхностных слоях до 18 °С/мм. Температура в приповерхностных слоях для оправки 154 мм на расстоянии 10 – 15 мм от поверхности снижается с 530 до 315 °С. Установлены особенности температурного поля в поперечном сечении с учетом теплового взаимодействия гильзы с оправкой в зоне контакта с горячим металлом и в зазорах между валками. Температура приповерхностных слоев в зоне контакта на 30 °С выше, чем в зазорах. Определены зависимости температуры характерных точек поперечного сечения от времени раскатки. Установлено, что в первые две секунды наблюдается интенсивный рост по параболическому, а далее по линейному закону. Температура центральных слоев радиусом 50 мм увеличивается с гораздо меньшей интенсивностью, примерно на 100 °С за весь период раскатки, тогда как за тоже время приповерхностные слои разогреваются на 300 – 400 °С.

1. Вавилкин Н.М., Бухмиров В.В. Прошивная оправка. Москва: МИСиС, 2000. 128 с.

2. Goncharuk A.V., Fadeev V.A., Kadach M.V. Seamless pipes manufacturing process improvement using mandreling // Solid State Phenomena. 2021. Vol. 316. P. 402–407.

3. Орлов Д.А., Гамин Ю.В., Гончарук А.В., Романцев Б.А. Разработка и исследование процесса прошивки с использованием охлаждаемых направляющих линеек // Металлург. 2021. № 4. С. 26–32.

4. Mashekov S.A., Absadykov B.N., Mashekova A.S. Investigation of the kinematics of rolling ribs and pipes on a continuous radialshifting mill of a new construction // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences. 2018. Vol. 3. No. 430. P. 98–109.

5. Wang F.X., Du F.S., Yu H. The thermal-mechanical coupled fem analysis on 3-roll continual tube rolling PQF deformation process // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 193. P. 1670–1674. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.189-193.1670

6. Вавилкин Н.М., Грачев М.В. Особенности теплового состояния коротких оправок обкатного стана // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2019. № 10. С. 12–16.

7. Yin Y.D., Li S.Z., Kang Y.L., Hu L.W. Analysis of metal flow and deformation features during continuous tube rolling process with mandrel mill // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 193. P. 2376–2381. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.189-193.2376

8. Гамин Ю.В., Романцев Б.А., Пашков А.Н., Патрин П.В., Быстров И.А., Фомин А.В., Кадач М.В. Получение полых полуфабрикатов изделий из медных сплавов электротехнического назначения способом винтовой прокатки // Известия вузов. Цветная металлургия. 2020. № 1. С. 27–38.

9. Гончарук А.В., Гамин Ю.В., Шарафаненко И.К., Алещенко А.С. Особенности прошивки заготовок в стане с направляющими дисками // Технология металлов. 2020. № 3. С. 57–63.

10. Amirgaliyev Y., Wójcik W., Ospanova T., Jetpisov K. 3D modelling of distribution of temperature field in the rolling mill // Journal of Ecological Engineering. 2017. Vol. 18. No. 6. P. 1–7. http://doi.org/10.12911/22998993/76895

11. Орлов Д.А., Гончарук А.В., Кобелев О.А., Комарницкая О.Г., Буниц Н.С. Анализ особенностей процесса прошивки труб на ТПА 70-270 с применением метода конечных элементов // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 10. С. 848–855. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-10-848-855

12. Akopyan T.K., Gamin Y.V., Galkin S.P., Prosviryakov A.S., Aleshchenko A.S., Noshin M.A., Koshmin A.N., Fomin A.V. Radialshear rolling of high-strength aluminum alloys: finite element simulation and analysis of microstructure and mechanical properties // Materials Science and Engineering: A. 2020. Vol. 786. Article 139424. http://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139424

13. Cao Q., Hua L., Qian D. Finite element analysis of deformation characteristics in cold helical rolling of bearing steel-balls // Journal of Central South University. 2015. Vol. 22. No. 4. P. 1175–1183. https://doi.org/10.1007/s11771-015-2631-6

14. Rout M., Pal S.K., Singh S.B. Finite element simulation of a cross rolling process // Journal of Manufacturing Processes. 2016. Vol. 24. Part 1. P. 283–292. http://doi.org/10.1016/j.jmapro.2016.09.012

15. Deng G.Y., Zhu H.T., Tieu A.K., Zhu Q., Su L.H., Reid M., Wei P.T., Zhang L., Wang H., Zhang J., Li J.T., Ta T.D., Wu Q. Numerical evaluation of a high speed steel work roll during hot strip rolling process // Material Science Forum. 2017. Vol. 904. P. 55–60. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.904.55

16. Gao J.F., Li Q., Zhao W. Thermal stress analysis for local heating variable cross-section roll forming // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 683. P. 599–603. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.683.599

17. Domazet Ž., Lukša F. Influence of rolling temperature on fatigue life of calibrated rolls // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 742. P. 482–487. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.742.482

18. Кошмин А.Н., Зиновьев А.В., Часников А.Я., Грачев Г.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния и трансформации микроструктуры медных электротехнических шин в очаге деформации при непрерывном прессовании // Известия вузов. Цветная металлургия. 2021. Т. 27. № 1. С. 36–48.

19. Fadeev V., Kondrushin A. Special aspects of determining parameters for continuous deformation of pipe billets for the specified pipes size range // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 38. Part 4. P. 1322–1325. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.093

20. Калинина В.В., Иванченко А.Б. Моделирование теплового состояния оправки непрерывного раскатного стана трубопрокатного производства // Вестник магистратуры. 2014. № 4. С. 45–52.

21. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи: Учебное пособие для вузов. 3-е издание, репринтное. Москва: ООО «ИД "БАСТЕТ"», 2010. 344 с.

22. Вавилкин Н.М., Красиков A.B. Исследование и совершенствование режимов работы длинных оправок непрерывных трубных станов // Черные металлы. 2012. № 4. С. 13–17.

23. Zeng B., Wu J., Zhang H. Numerical simulation of multi-pass rolling force and temperature field of plate steel during hot rolling // Journal of Shanghai Jiaotong University (Science). 2011. Vol. 16. No. 2. P. 141–144. https://doi.org/10.1007/s12204-011-1109-4