Введение к работе
Актуальность работы.
По данным ассоциации World Steel в 2013 г. мировое производство стали превысило 1,6 млрд. т. Важную и востребованную группу стальных изделий составляют поковки, производимые из слитков. В современном кузнечно-прессовом производстве удельный вес поковок из слитков массой до 10 т составляет более 50 %. Особую актуальность имеет производство изделий и поковок массой свыше 50 т (крупногабаритных роторов паровых, газовых турбин или генераторов, а также валов для силовых агрегатов большой мощности), изготовляемых из слитков массой свыше 70 т.
Перед обработкой давлением слитки подвергают нагреву в камерных печах. От рациональности применяемой технологии нагрева металла в значительной степени зависят качество получаемых поковок и их себестоимость. Для осуществления расчетов теплового состояния слитков требуется применение адекватных методов теоретического анализа нестационарных температурных полей в шести-, восьми- и двенадцатигранных слитках.
Нагрев металла в печах сопровождается безвозвратными потерями,
связанными с угаром. Для камерных печей в зависимости от марки стали,
температурного режима, размеров нагреваемых слитков и некоторых других
факторов угар может достигать от 1 до 3 % от массы слитка. Немаловажным
обстоятельством является и то, что в процессе ковки массивных заготовок
металл подвергают промежуточным подогревам, которые дополнительно
увеличивают потери от угара. Поскольку поковки большой массы производят из
дорогостоящих легированных сталей, металлосберегающие технологии нагрева
представляют практический интерес. Для разработки таких технологий
необходимы данные о кинетике высокотемпературного окисления
промышленных марок сталей, об особенностях влияния на кинетику содержания легирующих элементов и температурно-временного фактора.
В процессе охлаждения слитка с момента его кристаллизации в нём
возникают значительные термические напряжения, обусловленные градиентом
температурного поля. Термические напряжения могут быть причиной
образования трещин. Оценки значений термонапряжений необходимы при
разработке температурных режимов для для определения длительностей и
границ временных интервалов обработки давлением горячих слитков и
заготовок.
В связи со сказанным разработка металлосберегающей технологии нагрева многогранных слитков в камерных печах актуальна и имеет большое отраслевое значение.
Работа выполнена по гранту Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых и в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Цель работы. Разработка и совершенствование металлосберегающих технологий нагрева многогранных стальных слитков в камерных печах.
Задачи исследования.
1. Разработать метод и методику аналитических и графоаналитических
расчетов процессов нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных
термически тонких и термически массивных слитков и заготовок при граничных
условиях III рода.
-
Оценить значения термических напряжений и степень их опасности при назначении температурных режимов нагрева-охлаждения многогранных слитков, предварительно решив связанную задачу термоупругости для многогранных слитков и заготовок.
-
Исследовать кинетику высокотемпературного окисления хром-, никель- и молибденсодержащих сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНM. Получить количественные данные о температурах плавления окалин, влиянии температурно-временного фактора на угар и обезуглероживание исследуемых марок сталей.
4. На основании систематизации результатов, полученных в
экспериментальных и теоретических исследованиях, разработать и внедрить
металлосберегающую технологию нагрева многогранных кузнечных слитков для
условий Ремонтно-механического комплекса – филиала ОАО «ЕВРАЗ
Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».
5. Внедрить результаты исследований в учебный процесс в ФГБОУ ВПО
«Сибирский государственный индустриальный университет» при подготовке
бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Металлургия».
Научная новизна.
1. С целью осуществления инженерных расчетов температур в теле
многогранного слитка впервые разработаны метод и методика расчетов
процессов нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков
и заготовок на основе полученного аналитического решения задачи для
уравнения теплопроводности при граничных условиях III рода, построены
соответствующие номограммы для центра, середины грани и ребра слитка .
2. Построены поля тензора термических напряжений в слитках, полученные
как решения связанной задачи термоупругости, необходимые для определения
границ интервалов температур охлаждения, нагрева и кузнечной обработки
многогранных слитков.
3. В результате исследований кинетики высокотемпературного окисления
получены новые количественные данные по влиянию температурно-временного
фактора на угар сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНM в атмосфере воздуха и
кислорода.
4. Установлены температуры плавления окалин легированных сталей марок
40ХН, 34ХН1М, 5ХНM, определено и обосновано влияние на эти температуры
легирующих элементов.
Практическая значимость.
1. Разработаны компьютерная программа вычисления относительных
температур и графоаналитические методики расчёта температурных полей,
реализованные в виде пакета номограмм, позволяющие рассчитать температуры
в многогранных слитках и заготовках при разработке температурных режимов
нагрева и охлаждения и соответствующих технологических инструкций.
2. Предложенные методы расчета термических напряжений позволяют
определять безопасные с точки зрения трещинообразования интервалы
температур и времени охлаждения-нагрева многогранных слитков и заготовок.
-
Получены зависимости угара от температурно-временного фактора для сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНM, даны конкретные рекомендации по температурным интервалам выдержки и томления металла в печи для использования при разработке технологических инструкций по нагреву.
-
Разработаны температурные режимы нагрева слитков, обеспечивающие металлосбережение, снижение угара, многогранных слитков при нагреве в камерных печах.
Реализация результатов.
1. Разработанная металлосберегающая технология нагрева 15-т
восьмигранных слитков принята к внедрению в Ремонтно-механическом
комплексе – филиала ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский
металлургический комбинат». При годовом производстве порядка 1400 т
экономия металла составляет 17,3 – 19,7 т/год.
2. Разработанные аналитические и графоаналитические методы и методики
расчета нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и
заготовок при граничных условиях III рода внедрены в учебный процесс в
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» и
используются при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по
направлению «Металлургия».
Методы исследований.
Кинетику окисления сталей исследовали с помощью гравиметрического (по
потере массы) и дифференциально-термического (по увеличению массы)
методов на дериватографе и термоанализаторе LABSYS. Тепловое состояние
шестигранных заготовок определяли с помощью метода термометрирования.
Глубину обезуглероженного слоя стали измеряли с помощью
металлографического метода. Угар слитков при нагреве в камерных печах рассчитывался методом планиметрирования. Химический и фазовый состав окалины определяли с помощью рентгенофазового анализа и спектрометра ARL 9800.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и
рекомендаций подтверждается: адекватностью математического
моделирования физическим условиям охлаждения и нагрева слитков;
статистическими методами обработки экспериментальных данных;
сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей;
сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных
исследований с результатами промышленных испытаний.
Предмет защиты.
На защиту выносятся:
1. Методы и методики расчета температурных полей в слитках и заготовках,
основанные на аналитических решениях задачи нагрева и охлаждения шести-,
восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок при граничных условиях III
рода.
2. Оценки значений компонент тензора термических напряжений как
факторов разрушения слитков, основанные на аналитическом решении
связанной задачи термоупругости для многогранных слитков и заготовок.
3. Результаты экспериментальных исследований кинетики
высокотемпературного окисления и обезуглероживания легированных сталей
марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНM и температуры плавления их окалин.
4. Металлосберегающие температурные режимы нагрева многогранных
слитков в камерных печах.
Автору принадлежит: получение аналитических и графоаналитических решений задачи нестационарной теплопроводности при нагреве и охлаждении шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок при граничных условиях III рода; проведение экспериментальных исследований кинетики высокотемпературного окисления, обезуглероживания легированных сталей марок 40ХН, 5ХНМ, 34ХН1М и определение температур плавления их окалин; проведение лабораторных экспериментов по термометрированию шестигранных заготовок; проведение промышленных экспериментов по исследованию угара восьмигранных слитков при нагреве в камерных печах; статистическая обработка полученных результатов, анализ, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности
ВАК 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов, п.3
«Твёрдофазные процессы в металлургических системах», п.7. «Тепло- и
массоперенос в низко- и высокотемпературных процессах», п.20.
«Математическое моделирование процессов производства чёрных, цветных и редких металлов».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: I Всероссийской научно-практической конференции «Исследования молодых – регионам» (Томск, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Екатеринбург, 2012 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2013 г.); X Международной научно-практической
конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-
Петербург, 2013 г.); VIII Международном симпозиуме «Фундаментальные и
прикладные проблемы науки» (Непряхино, 2013 г.); XVII Всероссийской
научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление,
качество» (Новокузнецк, 2013 г.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций, 4 статьи в сборниках научных трудов, 8 работ в материалах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 101 наименования.
