Анализ энергозатрат многократного волочения стальной проволоки

Введение

Одним из ключевых факторов, влияющих на качество готовой продукции и условия волочения, является выбор маршрута волочения, т. е. выбор количества проходов и единичных обжатий волок. Маршрут волочения должен обеспечивать отсутствие обрывов проволоки и гарантировать требуемое качество готовой продукции при максимальной производительности [1 – 5].

При проектировании режимов многократного волочения проволоки необходимо учитывать такие факторы, как условия смазки, нагрев проволоки, механические свойства проволоки, потребление энергии, количество проходов, величины суммарных и единичных обжатий [2; 3; 6; 7]. Кратность волочения существенно влияет на устойчивость процесса волочения и качество готовой проволоки, поэтому возникает необходимость анализа маршрутов с различной кратностью и ее влияния на технологические параметры процесса волочения стальной проволоки [8 – 10].

Производительность волочильных станов во многом определяется затратами энергии на деформацию проволоки [11; 12]. Энергозатраты на волочение проволоки складываются из затрат на трение между проволокой и волокой и затрат на деформацию проволоки в волоке [13 – 15]. Работа деформации складывается из однородной работы, связанной с изменением диаметра проволоки, и неоднородной или избыточной работы, вызванной изменением направления течения металла на входе и выходе из волоки [16]. Степень деформации при волочении оценивают, как правило, с помощью таких величин, как обжатие и вытяжка, которые не учитывают наличие неоднородной деформации, т. е. деформации, не связанной с изменением диаметра проволоки. Неоднородную деформацию можно оценить с помощью фактора неоднородности Ф, который равен отношению доли неоднородной деформации к полной деформации [1]. Наличие дополнительной неоднородной деформации часто не учитывают при разработке маршрутов волочения проволоки, что приводит к заниженной оценке для работы деформации при многократном волочении проволоки [17 – 21].

Методы и материалы

В работе были изучены следующие маршруты волочения стальной проволоки:

– пятикратный маршрут 9,00 – 7,79 – 6,85 – 6,10 – 5,50 – 5,03 мм;

– шестикратный маршрут 9,00 – 7,95 – 7,00 – 6,80 – 6,10 – 5,50 – 5,03 мм;

– семикратный маршрут 9,00 – 8,19 – 7,48 – 6,85 – 6,31 – 5,83 – 5,40 – 5,03 мм;

– восьмикратный маршрут 9,00 – 8,30 – 7,70 – 7,10 – 6,60 – 6,10 – 5,65 – 5,30 – 5,03 мм.

Во всех исследованных маршрутах начальный и конечный диаметры проволоки и, следовательно, суммарное обжатие, одинаковы.

Неоднородную (дополнительную) работу учитывали с помощью фактора неоднородной деформации

\[\Phi  = \frac{{{w_u} + {w_r}}}{{{w_u}}},\]

где w_u – работа однородной деформации; w_r – работа неоднородной деформации.

Работа однородной деформации

где σ_a – среднее сопротивления деформации при волочении проволоки; r – обжатие.

Работа неоднородной деформации

Полная работа деформации

Фактор неоднородной деформации

где ∆ – ∆-фактор очага деформации при волочении проволоки, равный отношению средней высоты к средней длине очага деформации.

Среднее численное значение для Δ [1; 16]

где α – полуугол волоки.

Общее выражение для работы сил трения на единицу объема

где µ – коэффициент трения.

Работа сил трения в калибрующем пояске обычно в практических расчетах не учитывается.

Результаты работы и их обсуждение

На основе проведенных расчетов были получены зависимости работы трения, работы однородной и неоднородной деформации от кратности волочения стальной проволоки для приведенных выше маршрутов. При этом полагали, что начальный и конечный диаметры проволоки, коэффициент трения и значение сопротивления деформации для всех исследованных маршрутов остаются неизменными. На рис. 1 представлена зависимость суммарной работы однородной деформации от кратности волочения проволоки.

В данном случае суммарная работа деформации – это сумма работ деформации по всем проходам многократного волочения проволоки. Согласно полученным данным, суммарная работа однородной деформации не зависит от числа проходов маршрута волочения при одинаковом сумарном обжатии проволоки, так как работа однородной деформации определяется обжатием и прочностью проволоки [1].

Согласно зависимости, показанной на рис. 2, с увеличением кратности волочения при неизменных начальном и конечном диметрах проволоки работа сил трения растет. Это можно объяснить тем, что при увеличении кратности волочения уменьшается средняя величина обжатия, увеличиваются ∆-фактор и фактор неоднородности, а также число проходов. Прирост мощности деформации при повышении проходов с пяти до восьми за счет работы сил трения составил 2,4 кВт.

На рис. 3 представлена зависимость суммарной работы неоднородной деформации, т. е. суммы работ неоднородной деформации для всех проходов маршрута волочения, от кратности маршрута волочения.

Согласно приведенной на рис. 3 зависимости, при увеличении кратности волочения суммарная работа неоднородной деформации растет. При увеличении кратности уменьшается среднее обжатие, растет ∆-фактор и, согласно выражению (4), растет фактор неоднородности Ф, что приводит к увеличению работы неоднородной деформации. Кроме того, дополнительный вклад в рост работы неоднородной деформации вносит увеличение числа проходов. Прирост мощности деформации при увеличении числа проходов с пяти до восьми за счет работы неоднородной деформации составил 4,98 кВт.

На рис. 4 представлена зависимость полной работы, т. е. суммы работы однородной, неоднородной деформации и работы сил трения по всем проходам от кратности маршрута волочения проволоки.

Согласно приведенной на рис. 4 зависимости, с увеличением кратности волочения растут затраты энергии на волочение проволоки. Прирост полной мощности при увеличении числа проходов с пяти до восьми составил 7,37 кВт. Основной вклад в рост энергозатрат вносит работа неоднородной деформации и работа сил трения. Работа однородной деформации определяется суммарной деформацией, т. е. начальным и конечным диаметрами проволоки. Работа сил трения при уменьшении обжатия и неизменном коэффициенте трения также уменьшается. Для рассматриваемых маршрутов волочения проволоки снижение работы сил трения на отдельных проходах компенсируется повышением числа проходов при увеличении кратности волочения, поэтому с ростом кратности суммарная работа сил трения также растет. Работа неоднородной деформации определяется формой очага деформации, т. е. величиной ∆-фактора. При повышении кратности волочения ∆-фактор увеличивается, что приводит к росту работы неоднородной деформации.

В работе [9] были произведены расчеты и разработаны рекомендации по выбору кратности маршрута волочения проволоки марки 70 с учетом различных факторов. Выводы работы [9] соответствуют полученным выше выводам. В работе показано, что уменьшение кратности волочения с 10 до 9 проходов повышает степень однородности деформации по сечению проволоки при снижении энергозатрат на волочение.

Выводы

Увеличение кратности волочения при неизменных начальном и конечном диаметрах проволоки приводит к росту энергозатрат на волочение. Вклад в рост энергозатрат вносят работа сил трения и работа неоднородной деформации. Для исследуемых маршрутов волочения проволоки доля прироста мощности, затрачиваемой на трение, составила 32 %, а доля прироста мощности, затрачиваемой на совершение неоднородной деформации – 68 %. Увеличение работы сил трения вызвано повышением значения фактора формы очага деформации (∆-фактора) при уменьшении среднего обжатия и ростом числа проходов. Работа неоднородной деформации вносит значительный вклад в рост затрат при повышении кратности маршрута волочения. Расчеты без учета неоднородной деформации приводят к заниженной оценке энергозатрат на волочение проволоки. Работа неоднородной деформации определяется значением ∆-фактора очага деформации и должна учитываться при проектировании маршрутов волочения стальной проволоки. Однородная работа определяется начальным и конечным диаметрами проволоки и не вносит вклад в увеличение затрат на волочение проволоки с ростом кратности волочения. При проектировании маршрута волочения стальной проволоки с целью уменьшения затрат энергии на волочение можно рекомендовать увеличение числа проходов и единичных обжатий с учетом других технологических параметров волочения проволоки.