АР19674502 «Разработка и исследование технологичного способа реализации интенсивных сдвиговых деформаций при прокатке в калиброванных валках»

Продольная прокатка в калибрах является одним из основных технологий получения длинномерных металлических изделий. Вместе с тем, при прокатке традиционных в калибрах в готовом прокате наблюдаются остатки литой структуры и неоднородности механических свойств металла по сечению. Указанные недостатки можно устранить путем реализации интенсивной пластической деформации (ИПД) в объеме металла. Однако, низкая технологичность большинство технологий ИПД сдерживает их использования в промышленности. Поэтому, разработка и исследование нового способа реализации ИПД в условиях непрерывности технологического процесса, в частности при прокатке в непрерывных станах, является актуальной научно-технической проблемой.

В проекте предлагается разработать новые технологичные схемы калибровок прокатных валков, обеспечивающие реализацию интенсивных сдвиговых деформаций. Согласно выдвигаемой в проекте гипотезе немонотонный характер течения металла при прокатке в новой системе калибров приведет к глубокому уплотнению и проработке структуры металла по всем уровням металлофизического строения, что способствует комплексному повышению механических и служебных свойств металлоизделий. Установление закономерностей формирования структуры и свойств металла в этих условиях является основным научным вопросом проекта.

Полученные результаты влияет на развитие теоретических и научных основ технологических способов реализации интенсивной сдвиговой деформации в области продольной прокатки и могут быть применены для обоснования новой технологии промышленного производства металлопроката.

1) Ногаев Кайрош Абилович – Кандидат технических наук, Заведующий кафедрой «Технологические машины и транспорт».

Scopus ID: 58065928300  

ResearcherID: KGS-4868-2024

https://orcid.org/0000-0003-1332-6352

2) Ашкеев Жасулан Аманжолович — Кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологические машины и транспорт»

Scopus ID: 57205283781  

ResearcherID: U-8566-2018 

https://orcid.org/0000-0001-8992-3984

3) Ахметова Гульжайнат Есенжоловна – PhD, ассоциированный профессор кафедры «Металлургия и материаловедение»

4) Абишкенов Максат Жарылгасынович – PhD, старший преподаватель кафедры «Технологические машины и транспорт»

Scopus ID: 57218196534  

ResearcherID:AAY-6294-2021   

https://orcid.org/0000-0002-7995-7651

5) Кыдырбаева Салтанат Жайсанбековна — старший преподаватель кафедры «Технологические машины и транспорт»

6) Тавшанов Ильгар Сулейманович — преподаватель кафедры «Технологические машины и транспорт»

Scopus ID: 58203718700  

ResearcherID: JNR-8253-2023  

https://orcid.org/0000-0002-9427-9748

7) Камаров Аман Уахитович – докторант

Результаты проекта реализуются в следующих формах:

1) Публикация 3-х статей 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).

2) Публикация 1 статьи в рецензируемом издании, рекомендованном КОКСНВО.

3) Издание 1 научной монографии по результатам исследования.

4) Получение 1 патента на изобретение в казахстанском патентном бюро;

5) Подготовка научно-технической, конструкторской документации по реализации новой технологии горячей прокатки в лабораторных условиях;

6) Выступление с докладом в 2-х международных научных конференциях для распространения результатов работ среди сообщества ученых, потенциальных потребителей и широкой общественности.

Полученные результаты влияет на развитие теоретических и научных основ технологических способов реализации интенсивной сдвиговой деформации в области продольной прокатки.

Применение результатов исследования на производстве приводит к снижению себестоимости и повышению конкурентоспособности продукции на рынке металла.

1) Методами сбора, обработки и анализа первичной информации выявлены различные технологические и конструктивные способы реализации интенсивных сдвиговых деформаций в процессах продольной прокатки.

Обработка и анализ первичной информации выявили, что интенсивные макросдвиги в процессе продольной прокатки достигаются в результате локального деформационного воздействия на прокатываемый металл и могут быть обеспечены разными технологическими и конструктивными способами: применением заготовок и валков с волнистой или рифленой поверхностью, асимметричной прокаткой, неравномерным подстуживанием раската по его толщине и ширине и т. д. Установлено, что при прокатке в калиброванных валках возможно создание условий для обеспечения знакопеременного течения металла за несколько проходов за счет одновременного высотного обжатия и поперечного сдвига в очаге деформации. Анализированы технологические сложности реализации интенсивных сдвиговых деформации в производственных условиях, что обуславливает актуальность проведения исследования в рамках данного проекта.

2) Предложен способ прокатки в системе калибров «овал-круг», где главные оси овала в калибрах расположены наклонно относительно оси валков. Угол наклона главной оси овала в калибре относительно оси валков принят равной γ=35°, что обеспечивает реализацию поперечного сдвига в очаге деформации одновременно с высотным обжатием.

Для обоснования предлагаемого способа прокатки в калибрах, обеспечивающие реализацию интенсивных сдвиговых деформаций, выполнено моделирование процесса прокатки методом конечных элементов (МКЭ) в программном пакете DEFORM 3D.

3) Компьютерное моделирование процесса прокатки в овальном калибре с наклонным расположением овала показало немонотонность характера течения металла из-за возникновения вихревых пластических потоков, что обуславливает реализацию интенсивных пластических деформаций.

По результатам моделирования напряженно-деформированного состояния установлено, что высокие показатели интенсивности напряжений в калибре с наклонным расположением овала вызывает более высокий уровень реализации интенсивной сдвиговой деформации по сравнению с прокаткой в калибре с традиционным овалом и обеспечивают интенсивную проработку металла в очаге деформации.

В калибре с наклонным расположением овала доля показателей интенсивности напряжений выше 180 МПа составляет 89,5%, тогда как для традиционного калибра этот показатель почти в 2,5 раза ниже (36,4%).

Показатели накопленной степени деформации сдвига более 0,7 после прокатки в калибре с наклонным расположением овала составляет 32,1%, что 1,43 раза выше, чем при прокатке в калибре с традиционным овалом (22,43%).

4) Определены параметры формоизменения и геометрические соотношения калибров новой системы «овал-круг» для прокатки в экспериментальном стане и разработана проектно-конструкторская документация на изготовление прокатных валков и валковой проводки.

Параметры формоизменения и размеры калибров определены для экспериментальной прокатки раската из исходной круглой заготовки с диаметром d_0=20 мм в системе калибров «овал-круг» за 4 прохода с коэффициентом вытяжки на каждом проходе μ=1,3.

Рабочие чертежи валков и валковой проводки разработаны для лабораторного прокатного стана «ДУО-150».

5) На основе феноменологической модели Джонсона-Мейла-Аврами-Колмогорова (JMAK модель) выполнено численное моделирование эволюции микроструктуры при реализации интенсивных сдвиговых деформации при прокатке в системе калибров «овал-круг». Рассчитаны параметры микроструктуры для стали AISI 316 с использованием модели динамической рекристаллизации. Произведен сравнительный анализ значений и характера распределения по сечению средних размеров зерна материалов, полученных при прокатке по традиционной и новой схеме. По результатам моделирования установлено, что реализация интенсивных сдвиговых деформации при прокатке в системе калибров «овал-круг» обеспечивает более интенсивные и равномерное измельчение зерна по всему сечению полосы по сравнению с традиционной схемой. Получено подтверждение неоднородности механических свойств металла по сечению при прокатке по традиционной схеме прокатки. Доказано эффективность новой схемы прокатки в проработке наиболее пораженных дефектами участков исходной заготовки.

1. К. А. Ногаев, Ж. А. Ашкеев, М. Ж. Абишкенов, А. Сладковский , А. У. Камаров. Анализ напряженно-деформированного состояния при прокатке в овальном калибре, реализующем поперечный сдвиг // Наука и техника Казахстана. — 2023. — № 4. — С. 178-192. ISSN 2788-8770. —  https://doi.org/10.48081/ISPR9282

2) К.А. Ногаев, М.Ж. Абишкенов, И.С. Тавшанов, А.Д. Тайсагатов. Моделирование условий для определения энергосиловых параметров процесса прокатки в калибрах, реализующих интенсивные сдвиговые деформации  // Сборник трудов ХІІ Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и инжиниринг», посвященной 60-летию Карагандинского индустриального университета. Темиртау, 19-20 октября 2023 года. С. 532-536.

3) К.А. Ногаев, Ж.А. Ашкеев, Г.Е. Ахметова, С.Ж. Кыдырбаева. Обзор способов реализации интенсивных пластических деформации (ИПД) в процессах продольной прокатки  // Сборник трудов ХІІ Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и инжиниринг», посвященной 60-летию Карагандинского индустриального университета. Темиртау, 19-20 октября 2023 года. С. 544-547.