Отечественные научные школы прокатчиков, сложившиеся на протяжении XX века, используют два обобщенных подхода – метод равновесия сил и энергетический метод, имеющие в своей структуре модификации.
Основателем челябинской научной школы прокатчиков был Владимир Выдрин (1920–1988) – аспирант одного из родоначальников Уральской научной школы металлургов, профессора УПИ Aкима Филипповича Головина. В 1955 году, уже будучи кандидатом технических наук, Владимир Николаевич возглавил в ЧПИ кафедру обработки металлов давлением и руководил ею до 1988 года. Защищенная в 1961 году докторская диссертация В. Н. Выдрина «Исследование процесса прокатки применительно к особым случаям» положила начало новому научному направлению. Поставленные задачи ученый рассматривал с точки зрения закона сохранения энергии, и на этом принципе развил единую теорию взаимодействия валков и полосы, показывающую неразрывную качественную и количественную связь явлений кинематики с динамикой прокатки и роль критического угла в очаге деформации в качестве своеобразного регулятора энергетического баланса процесса прокатки.
Энергетический метод дал возможность впервые правильно и теоретически строго описать нестационарный процесс заполнения очага деформации металлом от момента контакта переднего торца заготовки с валками до перехода процесса к установившемуся (стационарному) состоянию. Это единственный метод, который позволяет всесторонне охарактеризовать процесс прокатки, взяв в расчет кинематику, энергосиловые параметры, физические и механические свойства металла.
Представители школы создали принципиально новые процессы: «прокатка – волочение» (В. Н. Выдрин, Л. М. Агеев) и «прокатка – ковка» (В. Н. Выдрин, Г. И. Коваль). Первый из них запатентован в США, Японии, ФРГ, Англии, Франции, Италии, Швеции и получил широкое признание и применение в отечественной и зарубежной промышленности.
Становление и развитие научной школы происходит, когда у ее основателя появляются ученики и последователи, или, иначе говоря, сотрудники, создающие общим совместным трудом ее совокупный продукт. В первое десятилетие таковыми были первые аспиранты и соискатели кафедры, в том числе и не входившие в ее штат. Среди них следует прежде всего назвать имена Л. М. Агеева, Ю. Т. Батина, В. Г. Дукмасова, В. И. Крайнова, В. П. Польского.
Вклад челябинской школы в отечественную и мировую науку о прокатном производстве заключается в следующем: создана, разработана и получила широкое признание энергетическая теория взаимодействия валков и полосы при прокатке, основанная на законе сохранения энергии; на базе энергетического подхода создана современная теория процесса непрерывной прокатки; разработана теория заполнения очага деформации в период захвата полосы валками; с совместным использованием законов сохранения энергии и минимума энергии определена связь между кинематической (опережение) и деформационной (уширение) характеристиками процесса прокатки; разработана теория формоизменения при листовой прокатке с позиции обеспечения плоскостности полосы.
Кроме того, получило широкое развитие направление «Процессы асимметричной прокатки»; создан новый процесс «прокатка – ковка» (ПК), который положен в основу направления «Процессы шаговой прокатки»; выполнен большой комплекс научных работ по направлению «Процессы прокатки в многовалковых калибрах»; проведены крупные исследования в области теории и практики прокатки периодических профилей; созданы методология и оборудование для пластометрических исследований механических свойств металлов и сплавов в широком диапазоне изменения термомеханических параметров; разработаны теоретические основы точной прокатки простых и фасонных профилей.
Материалы научных исследований челябинской школы прокатчиков широко публиковались в зарубежных периодических изданиях. Челябинские ученые участвовали во многих зарубежных конференциях, конгрессах, симпозиумах и выставках.
Разработанные технологии и оборудование внедрены на десятках отечественных предприятий, основными из которых являются Новосибирский и Ждановский металлургические заводы, Карагандинский, Череповецкий и Челябинский металлургические комбинаты, Балхашский завод по обработке цветных металлов и Узбекский комбинат тугоплавких металлов (УзКТЖМ).
В период с 1997 по 2002 год для предприятий России выполнен ряд исследовательских и проектных работ. Крупнейшие из них – проект реконструкции сталепрокатного производства для ОАО «Мечел» и проект полунепрерывного стана ШП 280/МК-330 для производства прутков и проволоки из специальных сталей и сплавов для Уральского завода прецизионных сплавов.
В настоящее время челябинскую школу прокатчиков возглавляет профессор кафедры процессов и машин обработки металлов давлением Политехнического института ЮУрГУ, доктор технических наук, профессор Александр Выдрин.
«Научное направление «Энергетическая теория и практика производства бесшовных труб» зародилось ещё в 1955 году, с основанием кафедры обработки металлов давлением. Раньше энергетическая теория прокатки применялась в основном к прокатке полос и листов, сотовых профилей, трубами занимались мало. Но трубное производство представляет собой отдельную, во многом оригинальную область прокатного производства, и я заинтересовался этим направлением, – рассказывает Александр Владимирович. – Процесс производства бесшовных труб включает три основных деформирующих операции: прошивку заготовки – в сплошной заготовке делается отверстие, раскатку – уменьшается толщина стенки, редуцирование – уменьшается диаметр труб. Во всех этих трёх направлениях были выполнены работы».
Как отмечает профессор Выдрин, прошивной стан – самый сложный из всех прокатных агрегатов, с точки зрения как технологии, так и теоретического описания процесса.
«Были проведены работы по расчёту настроек, оптимизации этого процесса, совершенствованию калибровок технологического инструмента. По этому направлению защищены три кандидатские диссертации. Что касается процесса раскатки, то, по сути дела, здесь на основе энергетической теории прокатки разработан пионерский подход к определению скоростных режимов непрерывного стана, а работа по расчёту калибровок валков позволила повысить точность геометрических размеров труб более чем вдвое, – говорит ученый. – По этому направлению защищены две кандидатские диссертации. Одна кандидатская диссертация защищена по направлению «Редуцирование». Эта работа позволила существенно сократить расход металла при производстве труб».
.JPG)
При изготовлении бурильных труб одна из необходимых операций – высадка концов, которая тоже относится к обработке металлов давлением: нужно, чтобы концы, где расположена резьба, были толще, больше диаметром, чем основное тело трубы. На основе энергетической теории прокатки были впервые получены формулы для корректного определения усилия, необходимого для высадки. Кроме того, между «толстой» и «тонкой» частями трубы есть переходная зона, и чем она длиннее, тем лучше. Раньше ее размер определяли на основе практического опыта. Учёные ЮУрГУ и ОАО «РосНИТИ» смогли путём моделирования выяснить, от чего зависит длина переходной зоны, и нашли способы усовершенствовать процесс изготовления таких труб.
Научная школа сотрудничает с Синарским, Волжским, Северским трубными заводами, Таганрогским металлургическим заводом и даже с рядом заводов США и Румынии.
Сегодня направление «Энергетическая теория и практика производства бесшовных труб» вместе с А. В. Выдриным развивают его бывшие аспиранты, успешно защитившие кандидатские диссертации. Некоторые из них – Алексей Король, Евгений Шкуратов, Вячеслав Широков – стали преподавателями.
В настоящее время учёные начали заниматься цифровизацией производственных процессов – в этом направлении наиболее широкие перспективы открывает взаимодействие с Северским трубным заводом и Таганрогским металлургическим заводом. Кроме того, к вопросам, связанным с разработкой и использованием цифровых двойников, проявляют интерес Челябинский металлургический комбинат и Корпорация «ВСМПО-АВИСМА». В Южно-Уральском государственном университете это направление поддерживается в рамках проекта «Приоритет-2030».