Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Первый этап по проекту (2024 год) был посвящен компьютерному моделированию и экспериментальному исследованию закономерностей влияния рассогласования скоростей валков калибра, температуры нагрева металла, степени деформации, скорости деформации на энергосиловые параметры, структуру и механические свойства низко- средне- и высокоуглеродистых сталей (с содержанием углерода 0,08-0,80 %) при асимметричном деформировании круглой заготовки в цилиндрических валках, объемном деформировании в одном и двух последовательных плоских калибрах при холодной и горячей прокатке. 1) Установлено в результате численного исследования в программном комплексе Deform-3D процесса холодной прокатки круглой заготовки из стали марки 80Р в цилиндрических валках, что с увеличением отношения скоростей валков с 1 до 5 накопленная деформации значительно увеличивается с 0,4 до 1,2 и наблюдается тенденция к снижению растягивающих напряжений как на входе и выходе из очага деофрмации с увеличением доли сдвиговых напряжений. Момент прокатки на валке с большей скоростью увеличивается в 3,46 раза, а усилие снижается на 10 %. Установлено в результате численного исследования в программном комплексе Deform-3D холодной прокатки стали марки 80Р в четырехвалковом калибре, что при увеличении отношения скоростей рабочих валков в каждой паре в 1,5 раза усилие прокатки снижается на 6 %, момент прокатки на ведущих валках увеличивается в 1,25 раза, а на ведомых – уменьшается в 1,29 раза. Установлено в результате численного исследования в программном комплексе QForm-3D горячей прокатки стали марки 14Г2 в четырехвалковом калибре, что при увеличении отношения скоростей рабочих валков в каждой паре в 1,5 раза отношение моментов прокатки на ведущих и на ведомых валках отличаются для первого прохода в 6,8 раза (2,0 кН•м и 0,3 кН•м), а для второго – в 9 раз (1,8 кН•м и 2,0 кН•м). Установлены в результате экспериментального исследования на стане 400 новые закономерности влияния параметров асимметричной прокатки на усилия и моменты горячей прокатки образцов из сталей 09Г2С, 20, 45, 70, 80Р круглого поперечного сечения диаметром 4,97 мм в двух валках одинакового диаметра (340 мм) с нарезанным калибром, обеспечивающим вытяжку 2. Коэффициент асимметрии изменялся от 1,0 до 1,6. Заготовки нагревались в печи до температуры 950 ± 10 °С, выдерживались в печи, перемещались к стану, прокатывались за один проход и охлаждались на воздухе. Значения усилий прокатки для различных режимов с увеличением коэффициента асимметрии заготовки для волочения от 1,0 до 1,6 уменьшилось в 1,3 раза. При этом момент прокатки на ведущем валке увеличился в 3,39 раза, а на ведомом - снизился в 2,7 раза. Осуществлена опытная прокатка на стане 400 квадрата из круглой заготовки (сталь 80Р) на гладкой бочке в два прохода с кантовкой на 90 градусов, что позволило смоделировать многостороннее обжатие, подобное обжатию круглой заготовки в четырехвалковом калибре. Экспериментально показана возможность получения заготовки для волочения из низкоуглеродистых сталей со средним размером ферритного зерна в диапазоне от 1 до 4 мкм (13 – 17 балл по ГОСТ 5639-82) в отличие от 15-30 мкм на современных сортовых станах. Показано, что формирование такой структуры при горячей прокатке возможно за счет реализации одного из двух механизмов γ→α превращения: статическое деформационно-индуцированное γ→α превращение (Static Strain Induced Transformation, сокр. SSIT) и динамическое деформационно-индуцированное γ→α превращение (Dynamic Strain Induced Transformation, сокр. DSIT). При DSIT зародыши и новые зерна α–фазы формируются динамически, т.е. в очаге деформации (в момент приложения деформации). При SSIT зародыши формируются в очаге деформации, а новые зерна α–фазы на выходе из очага деформации (после завершения приложения деформации). Показано, что при асимметричной прокатке круглой заготовки диаметром 5 мм из стали 09Г2С с вытяжкой 2 и отношением скоростей валков равным 1,5 формируется дисперсная феррито-перлито-бейнитная микроструктура с присутствием свободного цементита. Доля феррита: поверхность – 85-86%, центр – 86%. Микроструктура по толщине достаточно однородна. Разница между поверхностью (G = 15 балл) и центром (G = 14 балл) составляет 1 балл. Средний диаметр ферритного зерна составил: поверхность – 1,75-2,25 мкм, центр – 3,15 мкм. При асимметричной горячей прокатке с коэффициентами рассогласования скоростей валков 1,6 и 1,7 в опытных образцах была получена микроструктура с размером зерна 1,6-2,8 мкм. При асимметричной горячей прокатке заготовки из стали 20 с коэффициентами рассогласования скоростей валков 1,6 и 1,7 в опытных образцах была получена микроструктура с размером зерна 1,8-2,9 мкм. Выполнено исследование кинетики прерывистой динамической рекристаллизации, характеризующейся описанием изменения доли рекристаллизационного зерна аустенита в зависимости от деформации. Кинетику динамической рекристаллизации определяли на основе кривой течения по напряжениям σdrv, σdrx, σdrvss, σss. Кривые течения в координатах «напряжение – деформация» были получены на основе испытаний на кручение на симуляторе термомеханических процессов Gleeble 3800 с применением модуля Torsion. 2) Исследование механических свойств опытных образцов углеродистых сталей. Установлено в результате экспериментального исследования влияния асимметричной горячей прокатки образцов из катанки (сталь 09Г2С) диаметром 5,5 мм на стане «400», что измельчение ферритного зерна при асимметричной горячей прокатке позволяет обеспечить высокий комплекс механических свойств: σ_тн=440-460 МПа; σ_в=510-520 МПа; δ=27-30% при охлаждении на воздухе. Установлено в результате экспериментального исследования горячей прокатки образцов диаметром 12,10 мм, из стали марки 20 на стане «400». исходная твердость образцов в центральной области уменьшается на 8% после симметричной прокатки и увеличивается в 1,6 раза при асимметричной прокатке с коэффициентом асимметрии 5. 3) При выполнении проекта на первом этапе были разработаны различные варианты компоновки клети с четырехвалковым калибром. Для осуществления асимметричного объемного деформирования заготовок предложено на стане 400 установить 2 валка с врезанными в них калибрами. В настоящее время выполнены собственными силами чертежи валков, идет подготовка к заключению договоров на их изготовление и установку. Разработаны варианты разработки специальных дополнительных узлов.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Второй этап по проекту (2025 год) был посвящен компьютерному моделированию и экспериментальному исследованию закономерностей влияния рассогласования скоростей валков калибра, температуры нагрева металла, степени деформации, скорости деформации на энергосиловые параметры, структуру и механические свойства нержавеющих деформируемых сталей (типа 20Х13) при асимметричном объемном деформировании круглой заготовки в цилиндрических валках, объемном деформировании в одном и нескольких последовательных калибрах при прокатке. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что наибольшие значения накопленной деформации наблюдаются при асимметричной прокатке круглой заготовки в следующих случаях: когда каждый валок имеет индивидуальную скорость и при асимметричной прокатке относительно двух плоскостей с одним коэффициентом асимметрии. В первом случае максимальная накопленная деформация увеличивается в 1,95 раз по сравнению с симметричной прокаткой, а во втором случае в 2,4 раза. Максимальное значение накопленной деформации 1,96 наблюдается в последнем случае при коэффициенте асимметрии 1,6. Увеличение крутящих моментов на валках с большей скоростью прокатки находятся в пределах допустимых значений. Установлено в результате численного исследования в программном комплексе QForm-3D, что наиболее эффективным вариантом с точки зрения измельчения микроструктуры оказалась прокатка в четырех клетях. Показано, что при увеличении отношения скоростей рабочих валков в каждой паре до 1,7 максимальные момент прокатки для каждого прохода составят, соответственно: 2,0 кН•м, 2,1 кН•м, 3,1 кН•м, 1,8 кН•м. Установлено, что максимальное значение накопленной деформации (случай асимметричной прокатки) в выходном сечении деформируемой заготовки составило 11,1, а минимальное 2,25. Так же определили параметр напряженного состояния, по результатам которого можно сделать вывод о преобладании сдвиговых напряжений при асимметричной прокатке и более «мягкой» схеме напряженно-деформированного состояния. Определены температурные поля при симметричной и асимметричной прокатке. Предложен вариант совмещения волочения с асимметричной прокаткой на основе численного исследования. Установлено, что накопленная деформация при волочении только в монолитной волоке имеет значение от 0,31 на оси проволоки, до 0,37 на ее поверхности. Применение прокатной клети с равными скоростями вращения приводит к увеличению накопленной деформации в центре до 0,38 и до величины 0,70 на ее поверхности в тех зонах, которые находились при прокатке под валками. Применение асимметрии приводит к перераспределению значений накопленной деформации. Со стороны верхнего «медленного» валка наблюдается снижение до значения 0,65, в то время как со стороны более «скоростного» валка значение накопленной степени деформации увеличивается до 0,85 и до 0,89 для соотношения скоростей 2 и 5 соответственно. Так при волочении с подпором видно, что как увеличение, так и уменьшение скорости волочения повышает значение накопленной деформации с 0,7 до 0,78 на поверхности проволоки. При этом волочение с натяжением приводит в более равномерному распределению накопленной деформации по сечению проволоки. Экспериментально установлены новые закономерности влияния параметров асимметричной прокатки на усилия и моменты горячей прокатки образцов из стали 20Х13 квадратного поперечного сечения со стороной 4,4 мм за 1 проход в двух валках одинакового диаметра (340 мм) с вытяжкой 2. Во всех вариантах проведения эксперимента коэффициент асимметрии изменялся от 1,0 до 1,61. Температура нагрева заготовок - 1000 ± 10 °С. Значения усилий прокатки для различных режимов с увеличением отношения скоростей валков от 1,0 до 1,6 уменьшилось в 1,4 раза. При этом момент прокатки на ведущем валке увеличился в 4,1 раза, а на ведомом - снизился в 2,9 раза. На основе физического моделирования деформационного измельчения структуры стали марки 20Х13 с использованием комплекса Gleeble 3500 методом горячего кручения и методом сжатия цилиндрического образца выполнено экспериментальное исследование сопротивления деформации стали 20Х13 в широком диапазоне деформаций, температур и скоростей деформации, соответствующих условиям горячей прокатки. Выполнена аппроксимация экспериментальных кривых сопротивления деформации стали 20Х13 в зависимости от эквивалентной (истинной) деформации, температуры и скорости деформации. Получены температуры начала и конца фазовых превращений при нагреве Ас1, Ас3 (без деформации) и охлаждении Аr1, Аr3 (без деформации). В работе выполнено экспериментальное исследование влияния на микроструктуру нержавеющих деформированных сталей асимметричной горячей прокатки из стали 20Х13 с вытяжкой 2 и отношением скоростей валков равным 1,61 размер зерна в центральной области заготовки составляет 5-12 мкм. Полученные модели кинетики динамической рекристаллизации позволили количественно описать изменение доли рекристаллизованного зерна в зависимости от деформации в выбранном интервале температур и скоростей деформации. Установлено, что использование асимметричной горячей прокатки с коэффициентами асимметрии 1,6-1,7 позволяет увеличить твердость до 37-40 HRC при охлаждении на воздухе, что в 1,5-1,9 раза выше, чем при традиционной симметричной прокатке. В работе разработаны рациональная система электропривода с системой автоматического регулирования для стана с многовалковыми калибрами. В ходе экспериментально-промышленного исследования разработаны технологические схемы производства сортовых профилей простой геометрической формы для обработки конструкционных низко-, средне- и высокоуглеродистых сталей: 1. Технологическая схема асимметричной прокатки в двух сдвоенных калибрах низкоуглеродистых сталей, при которой в очаге деформации происходит динамическое фазовое превращение. 2. Технологическая схема асимметричной прокатки в четырех клетях с четырехвалковыми калибрами при скорости прокатки более 70 м/с, при которой осуществляется динамическая рекресталлизация. В настоящее время в рамках проведения совместной работы «Улучшение качества продукции АО «Белорецкий металлургический комбинат» и сокращение производственных затрат на основе применения асимметричной прокатки» готовится договор аренды по передаче одной кассеты с 4-х валковыми калибрами с 5-ти клетьевого прокатного стана SKET ЦЛП № 11 АО «БМК» и одной клети плющильного стана ЦХПЛ №12 АО «БМК» для проведения совместных исследований. Предложен вариант совмещения волочения с асимметричной прокаткой. О результатах проекта рассказано в журнале "Открывай с РНФ", №2, 2025, стр. 73-75 (https://rscf.ru/news/found/opublikovan-svezhiy-vypusk-zhurnala-otkryvay-s-rnf-posvyashchennyy-selskokhozyaystvennym-naukam/)