Введение к работе
Актуальность темы. Повышение эффективности производства и качества выпускаемой продукции в долотной промышленности требует полного использования возможностей, заложенных в технологиях обработки конструкционных материалов, из которых изготовляются буровые долота.
Проблема повышения эксплуатационной надежности буровых долот является комплексной и предполагает привлечение современных методов химико-термической обработки. Важнейшей частью этой проблемы является улучшение свойств материала поверхностного слоя деталей, в частности за счет цементации.
Свойства цементованного слоя и определяемый ими ресурс работы долота в значительной степени зависят от профиля распределения углерода по толщине слоя. Современные конкурентные отношения в промышленности и требования международного стандарта качества ИСО 9000 диктуют необходимость создания автоматизированного и легко перестраиваемого оборудования для цементации буровых долот с целью получения регулируемого профиля распределения углерода по толщине цементованного слоя детали. В этой ситуации актуальными являются задачи автоматизации процесса цементации и разработки оптимальных технологических режимов процесса. Опыт эксплуатации цементационных печей показал, что одним из перспективных с точки зрения производительности, качества и повторяемости результатов является автоматизированный процесс вакуумной цементации в атмосфере ацетилена.
Цель работы. Разработка и реализация на автоматизированном оборудовании технологических режимов вакуумной цементации долотных сталей, обеспечивающих улучшение свойств поверхностного слоя шарошки бурового долота и рост производительности оборудования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выявить основные технологические параметры процесса вакуумной цементации, определяющие качество цементованного слоя;
разработать проблемно-ориентированную математическую модель вакуумной цементации в атмосфере ацетилена;
отработать методику экспериментального определения переменных во времени коэффициентов массопереноса, углеродного потенциала атмосферы, а также коэффициентов диффузии углерода в долотных сталях для различных режимов вакуумной цементации;
идентифицировать параметры (углеродный потенциал атмосферы печи, коэффициенты диффузии и массопереноса) разработанной проблемно-ориентированной математической модели по экспериментальным концентрационным профилям углерода;
установить закономерности влияния на коэффициенты диффузии и массопереноса химического состава долотных сталей и параметров процесса вакуумной цементации – расхода ацетилена, температуры в печи;
определить оптимальные по точности получения требуемого профиля концентрации углерода и производительности установки алгоритмы управления процессом вакуумной цементации в условиях технологических ограничений;
реализовать разработанные оптимальные алгоритмы на автоматизированной печи для вакуумной цементации, обеспечивающие улучшение качества деталей буровых долот и повышение производительности печи;
провести исследование концентрационного профиля и свойств цементованного слоя, полученного на долотных сталях с использованием разработанных оптимальных режимов;
провести сравнительный анализ структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами традиционной газовой, неоптимальной вакуумной и оптимальной вакуумной цементации для выявления закономерностей формирования структуры и свойств цементованного слоя и сердцевины.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы металлографического и рентгеноспектрального анализа, метод инфракрасно-абсорбционного определения углерода, метод фольговых проб, методы измерения механических свойств и твердости, аналитические методы решения задач математической физики, методы теории оптимального управления системами с распределенными параметрами, методы идентификации и методы статистической обработки результатов эксперимента.
Научная новизна. Разработана проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах математическая модель вакуумной цементации с различными коэффициентами массопереноса, зависящими от вида режимов.
Решены краевые задачи оптимального управления процессом вакуумной цементации в атмосфере ацетилена долотных сталей как объектом с распределенными и переменными параметрами по критериям максимальной производительности печи и максимальной абсолютной точности распределения концентрации углерода по толщине цементованного слоя детали в условиях ограничений параметров процесса цементации.
Выявлены и проанализированы закономерности влияния вакуумной цементации на распределение химических элементов от поверхности вглубь детали и по сечению зерен, находящихся в сердцевине деталей долот.
На основании сравнительного анализа структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами традиционной газовой, неоптимальной и оптимальной вакуумной цементации, выявлены закономерности формирования структуры и свойств цементованного слоя.
Научные положения, выносимые на защиту:
проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах математическая модель вакуумной цементации с различными коэффициентами массопереноса, зависящими от вида режимов;
технологические режимы на основе алгоритмов оптимального управления процессом вакуумной цементации долотных сталей в атмосфере ацетилена как объектом с распределенными и переменными параметрами, по критериям максимальной производительности печи и максимальной абсолютной точности распределения концентрации углерода по толщине цементованного слоя детали в условиях ограничений параметров процесса цементации;
закономерности влияния химического состава долотных сталей и параметров процесса вакуумной цементации – расхода ацетилена и температуры в печи на коэффициенты математической модели;
закономерности влияния вакуумной цементации на распределение химических элементов от поверхности вглубь детали и по сечению зерен, находящихся в сердцевине шарошек буровых долот;
сравнительный анализ структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами традиционной газовой, неоптимальной вакуумной и оптимальной вакуумной цементации.
Практическая значимость. Практическая значимость полученных результатов заключается в разработанных алгоритмах вакуумной цементации долотных сталей, оптимальных по быстродействию и по абсолютному отклонению полученного профиля углерода от требуемого.
Выявленные закономерности влияния химического состава долотных сталей и параметров процесса вакуумной цементации – расхода ацетилена и температуры в печи на коэффициенты математической модели – позволят избежать трудоемких экспериментов при идентификации процессов вакуумной цементации с различными температурами и расходами.
Проведение сравнительного анализа структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами вакуумной и традиционной газовой цементации, позволило выявить преимущества процесса вакуумной цементации и рекомендовать его для изготовления долот улучшенного качества.
Разработанные алгоритмы внедрены в производство в качестве технологических режимов цементации и обеспечивают повышение производительности вакуумных печей на 13% при высоком уровне качества шарошек буровых долот.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на международных, российских и университетских конференциях: на международной молодежной научной конференции "XXVIII Гагаринские чтения" (Москва, 2002), 5-й международной конференции "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" (Самара, 2003), 2-й международной научно-практической конференции "Материалы в автомобилестроении" (Тольятти, 2003), 5-й Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 2002), всероссийской научно-технической конференции "Высокие технологии в машиностроении " (Самара, 2004-2005).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 11 научных публикациях в журналах и материалах научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 130 наименований и приложений. Работа изложена на 149 страницах и содержит 46 рисунков и 16 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность зав. кафедрой "Материаловедение и порошковая металлургия" д.ф-м.н., проф. Амосову А. П. и к.т.н., доценту Пугачевой Т. М. за поддержку в форме советов и рекомендаций по проведению исследований и постановке экспериментов, а также руководству ОАО "Волгабурмаш" за содействие в проведении экспериментов на современном оборудовании.
