Высокие очаги деформации

Рис. 4.4. Возможные (теоретические) эшоры контактных напряжений на высоком очаге деформаций

При увеличении высоты очага деформации зоны скольжения сокращаются и примерно при //й_ср < 1 вырождаются, весь очаг деформации по контакту занимает зона прилипания. Очаг деформации становится высоким. Контактные силы трения и нормального давления имеют эпюры, характерные для зон торможения и застоя (рис. 4.4). Реализация подобного распределения напряжений на площадке подтверждается экспериментально. Металлу энергетически выгоднее, реализовав предельные (но не максимальные!) силы трения на контакте, затормозить течение по длине контакта. При этом протяженность зоны затрудненной деформации быстро убывает по высоте очага. Пластическая деформация осуществляется в подконтактных слоях. На некотором расстоянии от поверхности контакта располагаются слои с интенсивной пластической деформацией.

Рис. 4.5. Характер распространения зон интенсивной деформации на среднем (а) и высоком (б) очагах (в продольном сечении)

Характер деформации на среднем и высоком очагах принципиально различается (рис. 4.5). На среднем очаге зоны интенсивной деформации со стороны верхнего и нижнего валков встречаются в середине сечения (см. рис. 4.5, а). Как и при осадке среднего образца, зона интенсивной деформации имеет форму креста (рис. 4.6, а), откуда металл интенсивно течет не только в длину, но и в ширину. Образуется форма поперечного сечения в виде одинарной бочки. Таким образом, на среднем очаге деформации активная пластическая деформация металла проникает на всю толщину, достигая максимальной интенсивности на средней линии образца.

На высоком очаге зоны активной деформации не проникают на всю глубину сечения (см. рис. 4.5, б). В середине сечения существует зона 2, в которую активные пластические деформации от действия валков не проникают. Следует подчеркнуть, что границы между зонами не столь резки, как изображено на рисунках (этом и всех последующих), поэтому какие-то количественные характеристики из них получить трудно.

По изменению координатной сетки экспериментально установили, что в тонком приконтактном слое в зоне прилипания деформация незначительна, затем часть сечения занимает зона интенсивной деформации, а в центральных слоях пластическая деформация вновь мала. В отдельных центральных объемах могут быть только упругие деформации (рис. 4.6, б). Образец после деформации

Рис. 4.6. Зоны интенсивной пластической деформации на среднем (а) и высоком (б) очагах (в поперечном сечении) имеет форму двойной бочки. Создается очень высокая неравномерность деформации по высоте полосы, которая в большей мере, чем силы трения на контакте, определяют напряжения и деформации в очаге деформации в целом. В узкой полосе зоны прилипания в приконтактных слоях любые условия трения оказывают практически одинаковое влияние на основную часть очага деформации, где все определяется только неравномерностью деформации по высоте.

По ширине прокатываемой высокой полосы деформация также неравномерна. Зона 1 (см. рис. 4.5, б) имеет наибольшую глубину в средних по ширине слоях. Глубина зоны активной деформации сокращается к кромкам за счет того, что металлу энергетически выгоднее течь в ширину, чем в глубину сечения. Если приложить боковое усилие, сдерживающее уширение поверхностных слоев, например, прокаткой в калибре, то глубина проникновения активной пластической деформации увеличивается как на кромках, так и в средних по ширине слоях. Причем деформация по ширине полосы выравнивается. Зоны активной деформации при прокатке в калибрах смыкаются при меньших отношениях //й_ср, чем при прокатке на гладкой бочке. Граница, разделяющая средние и высокие очаги деформации, находится при //А < 1.

Рассмотренная картина деформации значительно осложняет исследование явления опережения при прокатке высоких полос. По всей контактной площадке располагается зона прилипания, поэтому скорости валков и полосы совпадают, по определению опережение на контакте близко к 0. Но поскольку в зоне прилипания существует микроскопическое перемещение металла относительно валков, то существует водораздел сил трения. Условно можно считать, что частицы металла, находящиеся на площадке контакта от точки водораздела до сечения выхода находятся в зоне опережения, а до сечения входа — в зоне отставания. По высоте полосы зона прилипания быстро сокращается, и уже на некотором удалении от контактных площадок в глубине сечения присутствуют реальные, а не условные зоны опережения и отставания, разделенные нейтральным сечением. Экспериментально показано, что по всей высоте полосы существует нейтральное сечение, оно сильно искривлено в сторону входного сечения (рис. 4.7). При //А_ср < 0,2 оно может выходить за пределы

Рис. 4.7. Положение нейтральной линии по высоте полосы на высоком очаге деформации

геометрического очага деформации. Практически весь металл, за исключением небольших объемов, находящихся у поверхностей контакта, находится в зоне опережения. Среднее по очагу деформации опережение на высоких очагах деформации может достигать больших значений.

На рис. 4.8 приведены экспериментальные данные по опережению при прокатке на промышленном слябинге. Видно, что в каких-то реальных условиях прокатки пластическая зона простирается на все сечение сляба уже при отношении //А = 0,4-0,5, и уже при таком отношении очаг деформации переходит от высокого к среднему. С уменьшением высоты полосы (с ростом //А_ср) на высоких очагах опережение падает, а на средних растет.

На блюминге и слябинге обычно нижний валок больше верхнего. Опыты показывают, что опережение на большем валке меньше и может быть даже отрицательным, т. е. металл будет отставать от валка за счет тормозящего воздействия со стороны меньшего валка.

Рис. 4.8. Опережение при прокатке на слябинге на нижнем валке (сплошная линия) и на верхнем валке (пунктирная линия)

Отрицательное опережение — это вредное явление при прокатке, поскольку часть сил трения, необходимых для нормального захвата и стационарной прокатки, выводится из процесса. Ухудшается захват полосы, появляется нестабильность установившейся прокатки.

Кроме того, при разных окружных скоростях валков момент прокатки на большем валке может значительно превышать момент на меньшем валке (в два-три раза), поэтому стремятся не допускать рассогласование скоростей валков более 0,2 рад/с.

Рис. 4.9. Уширение в приконтактных (/) и осевых (2) зонах по мере снижения высоты очага деформации

Между зонами 1 и 2 (см. рис. 4.5, б) существует взаимодействие, поэтому осевая (пассивная) зона 2 также находится в состоянии пластического течения. Если бы обе зоны не были связаны между собой, то в зоне 2 деформации оставались бы упругими, а металл активных зон без помех естественным образом растекался бы в направлении длины и ширины образца. Пассивные осевые зоны, воздействуя на активные, препятствуют течению металла в длину, и чем массивнее пассивные зоны, тем в активных зонах меньше вытяжка, следовательно, больше уширение металла и больше разница между фактической вытяжкой и той естественной, которая была бы при отсутствии связи между зонами. На элементарный объем металла, выделенный в активной зоне, действуют дополнительные продольные напряжения сжатия со стороны пассивных зон. Показатель уширения А — е₃/е, в активных зонах возрастает с увеличением объема пассивной зоны. Чем выше очаг деформации (меньше //Л_ср), тем больше уширение в активных зонах. На рис. 4.9 (кривая 1) показан примерный характер изменения показателя уширения в приконтактных слоях по мере изменения параметра //й_ср. На очень высоких очагах показатель А близок к 1, а по мере снижения высоты очага (до //А = 0,5-1,0) постепенно уменьшается. При переходе к средним очагам (//й_ср > 1) взаимодействие между зонами исчезает, но за счет сил трения, степень развития которых возрастает с увеличением //й_ср, уширение начинает возрастать.

Рассмотрим характер деформации металла в пассивных зонах. При отсутствии взаимодействия между зонами показатели удлинения и уширения были бы равны 0, но под воздействием активных зон в пассивных имеет место и удлинение, и уширение (активные зоны принудительно тянут металл в обоих направлениях). Металл в пассивных зонах находится в пластическом состоянии.

Естественно, чем выше очаг деформации, гем больше объем пассивных зон и больше их роль в общем взаимодействии зон, тем в этих зонах уширение меньше. С ростом параметра //й_ср уширение будет расти (см. рис. 4.9, кривая 2). Имеются экспериментальные данные, показывающие, что на очень высоких очагах деформации возможно отрицательное уширение, т. е. утяжка центрального слоя металла. Однако с большой вероятностью в этом случае уширение близко к 0, но не отрицательное.

Когда фактор //А_ср > 1 и очаг деформации становится средним, уширение центральных слоев металла по-прежнему растет, но уже за счет сил трения. При этом силы трения сдерживают уширение приконтактных слоев, а центральные слои уширяются более свободно. Кривая 2 пройдет выше кривой /. При дальнейшем увеличении фактора //А_ср очаг деформации переходит в разряд низких, кривые уширения контактных и средних слоев сливаются, и при прокатке тонких листов и лент уширение падает до 0.

Рассмотрим силовую картину деформации на высоких очагах. Выделим элементарный объем в активной зоне 1 (см. рис. 4.5, б). Под действием валков по всем трем направлениям (рис. 4.10, а) действуют сжимающие главные напряжения ст,, о₃ (продольные) и о₂ (поперечные). Наибольшее из них — о,, наименьшее — о₃ (с учетом знака), поэтому условие пластической деформации выделенного объема в форме Треска запишется в виде

где К— предел текучести металла при прокатке; V— коэффициент Лоде.

Положим V = 1 и запишем условие пластичности следующим образом:

Напряжение о, определяет среднее давление металла на валки р_ср и в некотором приближении может быть ему приравнено. Если бы не было пассивных зон, металл выделенного объема испытывал бы практически слабое сопротивление течению в направлении длины, трение на контакте слабо влияет на характер деформации выделенного объема, поэтому о₃ близко к 0, и отношение близко к 1. Его значение при о₃ = 0 называют базисным или базовым и обозначаютНо пассивные зоны создают дополнительный

Рис. 4.10. Схема основных и дополнительных напряжений в активной (а) и пассивной (б) зонах

подпор течению металла в активной зоне, препятствуя удлинению. Дополнительное

сжимающее напряжение ст₃ суммируется с основным напряжением о₃. Чтобы металл деформировался пластически, т. е. выполнялось условие Треска, необходимо увеличивать напряжение о,,т. е. давление металла на валки р . Чем выше очаг деформации, тем выше сумма а₃ + о₃ и выше давление металла на валки /?_ср.

Отношение

характеризует влияние дополнительного подпора активных зон со стороны пассивных на увеличение давления металла на валки (как следствие неравномерности деформации). Оно называется коэффициентом подпора. На рис. 4.11 (левая ветвь) показано изменение п₃ на высоких очагах деформации.

Рис. 4.11. Изменение коэффициентов подпора п_г и коэффициента влияния трения п_п на высоких и средних очагах деформации

На средних очагах деформации при снижении высоты очага деформации давление металла на валки также увеличивается, но причиной тому являются уже силы трения на контактных поверхностях. На средних очагах отношение

характеризует влияние сил трения на давление металла на валки. На рис 4.11 правая ветвь кривой демонстрирует зависимость коэффициента от высоты среднего очага деформации. Поскольку оба

коэффициента л_о и л₃ зависят только от отношения //А_ср, то можно рассматривать их произведение п_ап_з как единый коэффициент, причем на высоких очагах = 1 и п₃> 1, а на средних п_а> 1 и л₃= 1.

Коэффициент п₃ можно вычислять по формуле Смирнова

Для вычисления и_ст на средних очагах предлагаются, например, формулы Бровмана

если

если

На низких очагах деформации, характерных для листовых станов, давление на валки следует вычислять по методике Целикова [1]. Главным параметром здесь является критерий , отражающий соотношение коэффициента трения р и половины угла захвата а, примерно равного углу у, что легко трансформировать в соотношение силы трения Т и нормального усилия Р при установившейся прокатке. Коэффициент я₀ определяется по номограмме Целикова (см. разд. 4.3, рис. 4.15).

Для низких очагов (//А_ср > 4) при горячей прокатке иногда рекомендуют формулу

Для холодной прокатки при //Л_ср > 6—8 применима формула, полученная для осадки тонкой полосы под параллельными бойками:

где

Выше отмечалось, что граница высоких и средних очагов деформации может смещаться в зависимости от условий деформации. Для определенности мы приняли в качестве границы отношение 1/И_ср= 1 (см. рис. 4.11). Будем считать, что активные зоны смыкаются на оси при этом отношении, тогда оба коэффициента и я_а равны 1: п, = п_а = 1. Давление на валки равно базисному и пределу текучести металла при прокатке К. Известно, что фактический предел текучести металла при прокатке отличается от полученного при растяжении стандартного образца. Они были бы равными, если бы при прокатке отсутствовало трение на контакте. Поэтому методика экспериментального определения предела текучести непосредственно при прокатке очень важна. Необходимо подобрать широкие образцы и прокатать их в базисных условиях (при ///г_ср = 1). Измерив усилие прокатки Р и поделив его на площадь контакта Р = /6_ср, вычисляем среднее давление р_ср, которое по условию текучести Треска будет равно VК. На широких образцах V = 1,155. Отсюда вычисляется предел текучести металла при прокатке К. Надо заметить, что метод определения предела текучести прокаткой в базисных условиях не получил широкого распространения, поскольку не стандартизован и не так удобен, как растяжение стандартных образцов на разрывных машинах.

Активные зоны металла (см. рис. 4.10), благодаря дополнительному подпору, находятся в состоянии трехстороннего сжатия, что благоприятно сказывается на пластичности металла (способности деформироваться без разрушения). Наоборот, дополнительные напряжения в пассивных зонах (см. рис. 4.10, б) являются растягивающими как в продольном, гак и поперечном направлениях. Это снижает пластичность металла, поэтому в центральных по высоте слоях возможны трещины (рис. 4.12), коварные тем, что они скрыты внутри проката.

Таким образом, при прокатке на блюминге и слябинге, когда реализуются высокие очаги деформации, со всех позиций вредны малые обжатия, обеспе-

Рис. 4.12. Характер трещинообразования при прокатке на блюминге чивающие высокие очаги деформации. Во-первых, образуется лишнее течение металла в ширину в приконтактных зонах, следовательно, меньше вытяжка, и для получения конечного профиля (блюма или сляба) требуется дополнительная энергия и время. Во-вторых, образуются наплывы, искажающие форму поперечного сечения раската. В-третьих, давление металла на валки повышается. И наконец, пластичность центральных слоев слитка понижается. На блюмингах и слябингах при деформации крупных слитков, особенно в первых пропусках, когда высота проката велика, необходимо деформировать металл с максимально возможными обжатиями, увеличивая значение фактора //й_ср. Для этого также полезно увеличивать диаметр валков стана. Первые блюминги имели диаметр валков 900—1000 мм, по мере роста массы слитков диаметры увеличивались до 1100—1250 мм. Большинство современных блюмингов имеет диаметр валков 1300 мм, а в составе балочного стана на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате имеется блюминг с валками диаметром 1500 мм. За рубежом спроектирован блюминг 1800.