АР14869080 «Разработка и исследование инновационного способа прокатки с макросдвигом, обеспечивающего получение высококачественного толстого листа из цветных металлов и сплавов»

Повышение качества металлоизделий в процессе обработки давлением остается одной из наиболее актуальных задач современной инженерии. Среди многочисленных способов улучшения качества металлопродукции особое место занимают способы ОМД, реализующие интенсивную пластическую деформацию. Эти способы обработки давлением не просто улучшают исходную литую структуру металла – они способны измельчить исходный размер зерна до мелкозернистого состояния, что придает металлу значительный рост механических характеристик. Поэтому разработка новых способов обработки давлением, позволяющих существенно повысить уровень проработки исходного материала является актуальной задачей.

Основной идеей проекта является разработка и исследование нового способа прокатки цветных металлов и сплавов, позволяющего получать высококачественный толстый лист с мелкозернистой структурой и высоким уровнем механических свойств.

1) Панин Евгений Александрович – PhD, ассоциированный профессор, доцент кафедры «Обработка металлов давлением», руководитель проекта.

Scopus ID: 55903153300  

ResearcherID: B-7581-2015 

https://orcid.org/0000-0001-6830-0630

2) Арбуз Александр Сергеевич – PhD, АEО «Nazarbayev University», Research Facility Coordinator. Жобаны орындаушы

Scopus ID: 55888544600  

ResearcherID: K-5828-2013  

https://orcid.org/0000-0002-2081-0612

3) Ержанов Алмас Сатыбалдыевич – PhD, ассоциированный профессор, заведующий кафедры «Металлургия и материаловедение», исполнитель проекта.

Scopus ID: 56524559600

ResearcherID:  AFL-9951-2022 

https://orcid.org/0000-0002-8990-5919 

4) Куис Дмитрий Валерьевич – к.т.н., ассоциированный профессор, заведующий кафедры «Металлургия и материаловедение», Белорусский государственный технологический университет, исполнитель проекта.

Scopus ID: 56769768000

ResearcherID: AAO-9153-2020

5) Толкушкин Андрей Олегович – магистр, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57000494500

https://orcid.org/0000-0002-8470-574X 

6) Есболат Айбол Батырханович – магистр, преподаватель кафедры «Обработка металлов давлением», исполнитель проекта.

Scopus ID: 57931507900 

ResearcherID: JMQ-0969-2023

7) Крупенькин Иван Иванович – магистр, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57219172987 

На основе проведенного анализа научно-технической и патентной литературы будет разработан новый инновационный способ толстолистовой прокатки в валках новой конструкции с наложением эффекта асимметрии; с помощью компьютерного конечно-элементного моделирования будут установлены закономерности изменения формы заготовки в ходе деформирования по предложенной технологии.

В ходе всестороннего исследования влияния различных параметров процесса деформирования методом конечных элементов будут установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния, энергосиловых параметров и эволюции микроструктуры, на основании чего будут определены оптимальные параметры успешной реализации новой технологии; будут получены аналитические зависимости по определению  контактного давления и усилия при прокатке в валках новой конструкции; будет проведена разработка рабочих чертежей валков новой конструкции, а также сборка и опробование стана с модифицированной прокатной клетью для прокатки по предложенной технологии.

Будет получена опытная партия заготовок, продеформированных по новой технологии; будут установлены основные закономерности эволюции микроструктуры и механических свойств медных заготовок, продеформированных по новой технологии от различных технологических и геометрических параметров реализации данного процесса; будут разработаны рекомендации по внедрению разработанной технологии деформирования в производство.

По результатам научных исследований будет опубликовано 3 статьи и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 35 (тридцати пяти). Кроме этого, будет опубликована 1 (одна) статья или обзор в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН. Результаты, полученные в ходе реализации исследований по данному проекту, будут очно или онлайн доложены на нескольких международных конференциях в таких странах как Болгария, Белоруссия и других странах дальнего и ближнего зарубежья.

1 На основе проведенного анализа научно-технической и патентной литературы разработан новый инновационный способ толстолистовой прокатки в валках новой конструкции с наложением эффекта асимметрии

Традиционные методы интенсивной пластической деформации хорошо зарекомендовали себя с точки зрения интенсивного измельчения зерен до ультрамелкозернистого уровня. Однако они непригодны для промышленного использования и массового производства из-за невозможности обработки длинномерных заготовок и обеспечения непрерывной деформации. Эти проблемы могут быть решены с помощью процесса прокатки. Хорошо известные способы прокатки, реализующие интенсивную пластическую деформацию, позволяют получать высококачественные длинномерные заготовки в виде прутков или листов. Однако большинство из этих технологий требуют либо специальных конструкций станов (радиально- сдвиговая прокатка), либо введения дополнительных операций по обработке заготовки (обработка поверхности и криогенное охлаждение). Различные методы асимметричной прокатки обеспечивают высокий уровень деформации, что приводит к значительному измельчению зерна. Активно разрабатываются методы как скоростной асимметрии (с разницей в скорости вращения валков), так и геометрической асимметрии (с разницей в диаметрах валков). Прокатка в рельефных валках — это асимметричный процесс прокатки с неравномерной обработкой металла, как по толщине, так и по ширине заготовки. Однако введение дополнительного коэффициента асимметрии скорости привело к значительному повышению уровня обработки.

2 С помощью компьютерного конечно-элементного моделирования установлены закономерности изменения формы заготовки в ходе деформирования по предложенной технологии

В данном разделе с помощью конечно-элементного моделирования было изучено формоизменение металла при асиммтричной прокатке в рельефных валках. Установлено, что при наличии даже небольшого уровня асимметрии в гладких валках заготовка начинает изгибаться в вертикальной плоскости. Наличие рельефного участка заготовки, в котором образованные выступы и углубления выступают в качестве ребер жесткости, приводит к тому, что после выхода из зоны деформации рельефных валков заготовка практически не изгибается, сохраняя свою горизонтальную траекторию движения. Данный эффект наблюдается как в схеме геометрической асимметрии, так и в схеме скоростной асимметрии. Этот эффект позволяет ввести асимметричную прокатку в рельефных валках в схему непрерывной прокатки.

3 В ходе всестороннего исследования влияния различных параметров процесса деформирования методом конечных элементов установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния, энергосиловых параметров и эволюции микроструктуры, на основании чего определены оптимальные параметры успешной реализации новой технологии 

В данном разделе выполнено конечно-элементное моделирование асимметричной прокатки в рельефных валках с целью изучения напряженно-деформированного состояния, энергосиловых параметров и эволюции микроструктуры. Рассматривая результаты моделирования процесса прокатки в рельефных валках с различными видами асимметрии, выявлено, что контактная асимметрия является наименее эффективным вариантом, тогда как кинематическая и геометрическая асимметрии показали хорошие результаты по проработке металла. Окончательную схему процесса необходимо выбирать исходя из технологических данных прокатного стана.

При дальнейшем рассмотрении варианта с геометрической асимметрией было проведено сравнение основных параметров напряженно-деформированного состояния и усилия деформирования в моделях с радиальным и трапециевидным рельефом. Было установлено, что несмотря на повышенный уровень напряжений и усилий, использование трапециевидного рельефа позволяет увеличить уровень проработки металла почти в 5 раз по сравнению с использованием радиального рельефа. Поэтому наиболее эффективным решением для реализации прокатки в рельефных валках будет использование трапециевидного рельефа.

Сравнение технологических схем деформирования показало, что деформирование с кантовкой заготовки на 180 градусов между проходами существенно снижает влияние фактора асимметрии. Это отражается как на уровне эквивалентной деформации и ее разнице по высоте, так и на распределении размера зерна по ширине заготовки. Деформирование без изменения позиционирования заготовки между проходами имеет противоположный эффект, такая схема существенно повышает влияние фактора асимметрии. Деформирование с поперечным сдвигом заготовки на период рельефа между проходами имеет эффект «золотой середины», когда влияние асимметрии имеет место, однако разница значений деформации и размера зерна не такая большая, как в предыдущем случае.

4 Получены аналитические зависимости по определению контактного давления и усилия при прокатке в валках новой конструкции

В данном разделе представлены результаты теоретических исследований силовых параметров прокатки толстолистовых заготовок в рельефных валках. Были получены эмпирические зависимости для определения среднего давления и усилия прокатки. При изучении давления был использован подход замещения схемы деформации плоским аналогом – протяжкой в кузнечных бойках трапециевидной формы. Для вывода уравнения среднего давления использован метод баланса работ. При анализе усилия был использован метод конечных элементов для определения геометрических параметров очага деформации с последующим введением поправочным коэффициентов в известные формулы из теории прокатки. Проверка полученных зависимостей осуществлялась путем сравнения с результатами компьютерного моделирования для трех толщин заготовок из медного сплава М1: 10 мм, 12,5 мм и 15 мм при ширине заготовок 400 мм. Сравнительный анализ показал высокую сходимость результатов расчетов и моделирования, а также возможность применения полученных формул не только для симметричной прокатки или при скоростной асимметрии, но и в случае прокатки в рельефных валках разного диаметра.

5 Проведена разработка рабочих чертежей валков новой конструкции, а также сборка и опробование стана с модифицированной прокатной клетью для прокатки по предложенной технологии

На основании результатов компьютерного моделирования с помощью CAD-системы «Компас» v.21 были спроектированы трехмерные твердотельные модели рельефных валков с использованием коэффициента геометрической асимметрии 1,5 (диаметр верхнего валка 200 мм, диаметр нижнего валка 300 мм) для прокатки заготовок толщиной 10, 12,5, и 15 мм. После изготовления комплекта валков и установки их в клеть прокатного стана был проведен лабораторный эксперимент на свинцовой заготовке с целью опробования разрабатываемой технологии, а также верификации данных о формоизменении, полученных при компьютерном моделировании. Сравнение геометрических параметров заготовки после прокатки в рельефных валках и двух последующих проходах выравнивания в гладких валках показало, что результаты компьютерного моделирования имеют высокий уровень сходимости. На каждой стадии деформирования разница геометрических параметров заготовки между моделью и экспериментом не превышала 3-5%.

6. Получена опытная партия заготовок, деформированных по новой технологии их медного сплава М1. В качестве основного фактора варьирования использовано количество циклов деформирования (от 1 до 3). Из данных заготовок подготовлены темплеты для изучения микроструктуры, а также вырезаны образцы для исследования механических свойств.

1. A.B. Esbolat, E.A. Panin, A.S. Arbuz, A.B. Naizabekov, S.N. Lezhnev, A.S. Yerzhanov, I.I. Krupenkin, I.E. Volokitina and A.V. Volokitin. Development of Asymmetric Rolling as a Severe Plastic Deformation Method: A Review. Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials. 2022. Vol. 55. Iss. 2, Р. 97-111, — https://doi.org/10.22059/jufgnsm.2022.02.02 (Scopus, 15-й процентиль)

2. A. Esbolat, E. Panin, A. Arbuz, D. Kuis, S. Lezhnev,I. Krupenkin, M. Erpalov. Concepts analysis of asymmetry factor implementation during rolling in relief rolls. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 2022, Vol. 57, Iss. 6, P. 1243-1250, —  https://www.scopus.com/record/display.uri?eid (Scopus, 38-й процентиль)

3. A. Esbolat, E. Panin, A. Arbuz, D. Kuis, A. Naizabekov, S. Lezhnev, A. Yerzhanov, I. Krupenkin, A. Tolkushkin, A. Kawalek, D. Voroshilov. Investigation of force parameters during rolling in relief rolls. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 2023, Vol. 58, Iss. 5, P. 961-968, — https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2 (Scopus, 35-й процентиль)

4. Лежнев С.Н., Найзабеков А.Б., Панин Е.А., Есболат А.Б. Валки для прокатки толстых листов. Патент РК на полезную модель № 8066 (12.05.2023 бюл №19).

5. Есболат А.Б., Панин Е.А., Арбуз А.С., Куис Д.В., Ержанов А.С. Исследование силовых параметров при прокатке в рельефных валках. Материалы международного симпозиума «Перспективные материалы и технологии», Беларусь, Витебск, 21-25 августа 2023г. – С. 42-44.

6. E. Panin, A. Arbuz, A. Yerzhanov, S. Lezhnev, D. Goldabin, D. Kuis, A. Esbolat. Предпосылки для разработки нового способа толстолистовой прокатки. VIII International scientific conference “Industry 4.0”. 28 June – 01 July, 2023, Varna, Bulgaria, Vol. 1, pp. 70-72.

7. E. Panin, A. Arbuz, A. Yerzhanov, S. Lezhnev, A. Naizabekov, D. Kuis, A. Esbolat. Моделирование процесса прокатки толстого листа в валках различной конструкции. IX International scientific congress “Innovations 2023”. 26–29 June, 2023, Varna, Bulgaria, Vol. 1, pp. 33-35.

8. E. Panin, A. Esbolat, A. Arbuz, D. Kuis, A. Naizabekov, S. Lezhnev, A. Yerzhanov, I. Krupenkin, A. Tolkushkin, A. Kawalek, P. Tsyba, Investigation of the Efficiency of Roll Profiles and Technological Schemes of Deformation of Asymmetric Rolling in Relief Rolls of C11000 Copper Alloy by FEM Simulation, Modelling and Simulation in Engineering, 2024, Vol. 2024, —  2486940. https://doi.org/10.1155/2024/2486940 (Scopus, 56-й процентиль).