Вариант ответа на билет №3 КАНДИДАТСКОГО ЭКЗАМЕНА по специальности "ОМД"

1. Феноменология и механизм деформации монокристаллов
2. Контактные напряжения при прокатке
3. Горячая сортовая прокатка - сортамент, оборудование, технология, перспективы развития

Вопрос 1. Феноменология и механизм деформации монокристаллов.

Кристаллическая решетка образуется при переходе металла из жидкого состояния в твердое состояние. Кристалл с неправильным очертанием границ называется зерном. Одно зерно - монокристалл. Промышленный металл - поликристалл - в отожженном состоянии имеет зерна произвольно ориентированные в пространстве.

Деформация - процесс изменения формы и размеров металла под воздействием внешних сил.

1. Упругая деформация - когда тело принимает первоначальную форму и размеры после прекращения приложения действия силы.
2. Пластическая (остаточная) деформация - тело сохраняет измененные в результате деформации формы и размеры после снятия нагрузки.

Если подвергнуть монокристалл растяжению, то его поверхность покрывается системами параллельных линий, выходящих на поверхность в результате сдвиговых смещений вдоль характерных кристаллографических плоскостей. Сдвиговые деформации, возникающие в процессе пластической деформации, происходят по плоскостям и направлениям наиболее плотно упакованными атомами - плоскости скольжения. Основной механизм пластической деформации - скольжение - сдвиг части кристаллов под действием касательных напряжений по плоскостям и направлениям скольжения. Совокупность плоскостей и направлений - системы скольжения. Чем больше систем, тем выше пластичность.

Двойникование - мгновенный зеркальный перенос одной части кристалла относительно другой по плоскости двойникования. Осуществляется при низких температурах (холодная прокатка) и высоких скоростях, когда скольжение затруднено. Обычно в плоскости двойникования дальнейшая пластическая деформация не происходит. Степени деформации при двойниковании меньше.

Скольжение осуществляется не путем одновременного перемещения всех атомов, расположенных в плоскости скольжения, а только части их. Причина - наличие дислокаций -несовершенства кристаллической решетки, когда выше и ниже в плоскостях скольжения количество атомов неодинаково. Неправильность решетки приводит к снижению усилий, требующихся для смещения атомов из менее устойчивого положения в более устойчивое положение. Такое смещение наблюдается в непосредственной близости дислокаций.

Таким образом, пластическая деформация - необратимое перемещение дислокаций. Деформация монокристалла - внутрикристаллическая деформация.

Вопрос 2. Контактные напряжения при прокатке. 

Под воздействием внешних сил (давления, трения) возникают внутренние силы, противодействующие изменению. Интенсивность этих внутренних сил - напряжения. Напряжения бывают касательные и нормальные. Составляющую контактного напряжения, направление вектора которой совпадает с нормалью к площадке, называют нормальным контактным напряжением, а составляющие, действующие в плоскости площадки, называют контактными касательными напряжениями.

В общем случае в любой точке контактной поверхности действуют три компоненты напряжения - одно нормальное и два касательных.

Применительно к прокатке можно рассматривать нормальное контактное напряжение, направленное по радиусу валка p_r , касательное в направлении прокатки t_v и касательное в направлении образующей валка или ширины прокатываемой полосы t_k.

При прокатке направление нормальных напряжений остается неизменным, а направление касательных напряжений изменяется в зависимости от того, находится она в зоне отставания или в зоне опережения. Также изменяется и соотношение между касательными и нормальными напряжениями. Поэтому величина и направление полного вектора напряжение подвергается изменениям.

Особенностью контактных напряжений при прокатке является то, что нормальные напряжения, направленные по радиусу валка, не создают момент относительно оси валка. Величина момента зависит от величины и распределения касательных напряжений t_v по дуге захвата. Следовательно, вся работа деформации передается от валка металлу только за счет сил контактного трения, являющихся суммой касательных напряжений в зоне опережения и отставания.

Вектор контактного касательного напряжения направлен против перемещения частиц металла. В силу этого напряжение t_v в зоне отставания направлено по ходу прокатки, а в зоне опережения - против хода прокатки. Соответственно момент, создаваемый силами трения, в зоне отставания будет положительным, а в зоне опережение - отрицательным. Разность этих величин составляет момент прокатки.

Контактные напряжения являются граничными условиями и в ряде случаев решающим образом влияют на напряженное и деформированное состояние металла в очаге деформации и на технологические параметры прокатки. 

Вопрос 3. Горячая сортовая прокатка - сортамент, оборудование, технология, перспективы развития.

Сортамент сортового проката:

1. Простые сортовые профили - простая геометрическая форма (круг, квадрат, шестигранник, полосовой профиль катанка, штрипс сортовой), все они общего назначения. Сюда же относят заготовки всех видов.
2. Фасонные профили - имеют относительно сложную форму поперечного сечения. В зависимости от сферы использования подразделяются:
   1. профили общего назначения (угловой профиль, швеллер, двутавровые балки),
   2. профили отраслевого назначения (рельс).
3. Периодические профили - форма поперечного сечения периодически изменяется по длине прокатываемой полосы. Все они относятся к изделиям специального назначения (арматура).

Для прокатки ряда сортовых профилей устанавливается специализированное оборудование (рельсобалочные станы, штрипсовые станы).

Сортовые станы в зависимости от размеров делятся на крупносортные, среднесортные, мелкосортные и проволочные станы. Наименование сортового стана условно устанавливается по номинальному диаметру валков чистовой клети.

• Крупносортные станы - 450 - 800 мм
• Среднесортные станы - 350 - 550 мм
• Мелкосортные станы - 250 - 350 мм
• Проволочные станы - 280 - 150 мм.

Сортовые станы по расположению клетей бывают 4 основных типов:

1. Линейные - станы устаревшей конструкции. Рабочие клети крупносортных и средне-сортных станов располагающиеся в одну или две линии. Первая линия из обжимной клети реверсивной дуо или три с диаметром валков 600-800 мм. Вторая линия клетей состоит из трех черновых клетей трио и чистовой клети дуо. Рабочие клети линейных мелко-сортных станов располагаются в две или три линии. Особенностью такого расположения является одинаковая частота вращения валков в клетях одной линии. При этом с удлинением раската предыдущие сдерживают последующие клети.
2. Последовательные - самостоятельный привод каждой клети позволяет увеличить скорость прокатки в последующих клетях и осуществлять независимую прокатку полосы в каждой клети.
3. Полунепрерывные - состоят из нескольких непрерывных групп. На выходе из непрерывной группы раскат обрезается, кантуется и задается в следующую непрерывную группу (среднесортные, мелкосортные станы). Низкая скорость прокатки, малая производительность.
4. Непрерывные - имеют компактное расположение клетей, что позволяет сократить число транспортирующих механизмов (рольгангов, шлепперов). Возможно, вести высоко автоматизированный скоростной процесс. Сокращается продолжительность цикла прокатки и потери тепла в процессе прокатки, возможно получение тонкостенных профилей (среднесортные, мелкосортные, проволочные).

Нагрев заготовок перед прокаткой на стане осуществляется преимущественно в проходных методических печах различных конструкций и производительности с газовым отоплением. Температура нагрева заготовок перед прокаткой в зависимости от марки стали, колеблется от 1100 до 1260°С (1120-1180°С на непрерывных станах).

Прокатка всех профилей производится по утвержденным схемам калибровок и заданному скоростному режиму прокатки. Схема калибровок должна предусматривать возможность получения на стане различных профилей при минимальных затратах на перевалку и перенастройку станов путем использования одних и тех же черновых валков для получения различных профилей.

Развитие сортовых станов идет по пути перехода от линейных и последовательных станов к полунепрерывным и непрерывным станам, обеспечивающих повышение скорости и производительности. Современным типом сортового стана является стан с последовательным непрерывным расположением клетей.

Для современных сортопрокатных цехов характерным является поточность технологического процесса, начиная от нагрева заготовки перед прокаткой и заканчивая полной отгрузкой готового проката.

Основными направлениями совершенствования технологии сортопрокатного производства является освоение новых профилей, по своей форме и размерам максимально приближенных к готовым изделиям и обеспечивающих при этом экономию металла и трудозатрат в сфере их производства и потребления.

Тенденция совершенствования технологии производства стальной проволоки заключается в увеличении скорости прокатки до 60-100 для обычных и 30-40 м/с для качественных марок сталей, сужении диапазона допусков.

Тенденции развития сортамента прокатных изделий заключаются в уменьшении их геометрических размеров, повышение геометрической точности исполнения, получение законченного (не требующего дополнительной обработки) изделия, улучшении технико-экономических показателей и свойств. Огромное значение будут приобретать специальные профили проката.