Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ опыта эксплуатации, изготовления и восстановления роликов МНЛЗ 5
1.1. Условия работы и причины отказов роликов МНЛЗ 5
1.2. Методы повышения стойкости роликов МНЛЗ 9
1.3. Способы восстановления роликов МНЛЗ 17
1.4. Формирование характеристик поверхностного слоя роликов МНЛЗ в процессе обработки 19
1.5. Цель и задачи исследования 23
2. Исследование стойкости роликов МНЛЗ 25
2.1. Эксплуатационное, технологическое и математическое обеспечение регламентированной стойкости роликов МНЛЗ 25
2.2. Исследование изменения свойств рабочего слоя роликов в процессе эксплуатации МНЛЗ 28
2.3. Исследование износостойкости и термостойкости наплавочных материалов роликов МНЛЗ 34
2.4. Исследование стойкости роликов МНЛЗ 40
2.5. Выводы 47
3. Моделирование процесса налипания окалины, износа, охлаждения и трещинообразования роликов МНЛЗ 49
3.1. Исследование процесса взаимодействия непрерывнолитой заготовки с рабочей поверхностью ролика 49
3.2. Удаление окалины механическим воздействием охлаждающей струи и тепловым ударом 58
3.3. Исследование влияния системы охлаждения НЛЗ на стойкость роликов 63
3.4. Расчет регламентированной толщины наплавленного слоя роликов МНЛЗ 70
3.5. Моделирование процесса трещинообразования в поверхностном слое роликов МНЛЗ 72
3.6. Регламентирование стойкости роликов МНЛЗ из-за трещинообразования 82
3.7. Выводы 85
4. Формирование поверхностного слоя роликов мнлз с повышенными эксплуатационными характеристиками 87
4.1. Исследование влияния состояния поверхностного слоя на трещиностойкость и износостойкость 87
4.2. Расчет размеров пластически деформированной зоны и глубины наклепа при механической обработке роликов 94
4.3. Разработка методики расчета величины натяга при сборке бандажированных роликов, исключающего сползание бандажа с оси при их эксплуатации 103
4.4. Экспериментальные исследования надежности соединения бандажа с осью 116
4.5. Выводы 120
5. Внедрение результатов диссертации в производство 122
5.1. Разработка конструкции и испытание опытно-промышленной установки электроконтактной обработки наплавленных роликов МНЛЗ 122
5.2. Определение размеров зоны структурных превращений в поверхностных слоях роликов МНЛЗ после ЭКО 127
5.3. Разработка методики определения шероховатости поверхности ролика МНЛЗ после ЭКО 132
5.4. Совершенствование технологии механической обработки роликов МНЛЗ с целью повышения их стойкости 136
5.5. Выводы 137
Заключение 139
Список использованной литературы 142
Приложение 155
- Формирование характеристик поверхностного слоя роликов МНЛЗ в процессе обработки
- Исследование изменения свойств рабочего слоя роликов в процессе эксплуатации МНЛЗ
- Удаление окалины механическим воздействием охлаждающей струи и тепловым ударом
- Расчет размеров пластически деформированной зоны и глубины наклепа при механической обработке роликов
Введение к работе
В развитых странах около 80% всей выплавляемой стали разливается на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В России этот уровень составляет 30 %. Непрерывный способ разливки стали на МНЛЗ имеет существенные преимущества по сравнению с разливкой в изложницы с последующей прокаткой слитков на обжимных станах, что обуславливает его перспективность и рост объемов использования.
Стремление эксплуатировать МНЛЗ с максимальной производительностью и высоким качеством непрерывнолитых заготовок требует повышенного внимания к надежности и долговечности всего оборудования и, в особенности, сменного оборудования. Опыт эксплуатации МНЛЗ показал, что их производительность и эффективность во многом связаны с числом ремонтов, обусловленных стойкостью роликов.
Ввод в эксплуатацию новых МНЛЗ и эксплуатация существующих вызывает постоянную потребность в роликах. В последние годы в России на металлургических предприятиях организуются участки для изготовления и восстановления роликов (ОАО «ММК», ОАО «Мечел» и др.). Однако стойкость их значительно уступает стойкости роликов зарубежных МНЛЗ.
За рубежом достигнута фактическая стойкость роликов 3000000 тонн, а в отечественной металлургии 500000 тонн. Такое различие определяется более высоким уровнем технологии изготовления и восстановления изношенных роликов за рубежом за счет материала, конструкции системы охлаждения и технологии изготовления роликов МНЛЗ.
В этой связи разработка путей повышения стойкости роликов МНЛЗ, высокоэффективных методов их изготовления и восстановления является актуальной научно-технической задачей, имеющей существенное значение для экономики страны, что особенно важно для рыночных условий.
Формирование характеристик поверхностного слоя роликов МНЛЗ в процессе обработки
Окончательное формирование служебных характеристик поверхностного рабочего слоя роликов МНЛЗ формируются в процессе их обработки.
Обычно окончательное формообразование ролика связано со снятием некоторого слоя материала, называемого припуском под обработку. Если в процессе снятия припуска температура на контакте с инструментом превышает температуру фазовых превращений, то на обработанной поверхности образуется слой со структурными изменениями.
Если припуск удаляется при температуре ниже температуры фазовых превращений, то поверхностный слой подвергается пластической деформации, сопровождаемую повышением твердости.
Наличие в поверхностном слое структурных изменений возникших под действием высокой температуры или под механическим воздействием, существенно меняет его служебные характеристики.
Благодаря работам отечественных и зарубежных исследователей достигнут значительный успех в области изучения качества поверхности деталей в процессе механической обработки и его влияние на их служебные характеристики [5, 23, 55, 68, 69, 70, 99, 100, 116].
В качестве показателей состояния поверхностного слоя деталей рассматривались степень и глубина наклепа, а также характеристики шероховатости поверхностей, как наиболее влияющие на их служебные характеристики. Экспериментальные исследования выполнены применительно к традиционным конструкционным материалам и условиям их эксплуатации.
Условия работы роликов МНЛЗ существенно отличаются от традиционных условий эксплуатации деталей. Из показателей качества поверхностного слоя наиболее существенными являются износо- и термостойкость материала. Исследований по взаимовлиянию глубины наклепа и показателями износо- и термостойкости роликов МНЛЗ до настоящего времени не проводилось.
Теоретические исследования деформации поверхностного слоя в процессе механической обработки проводились в работах [5, 23, 55, 68, 69, 70, 99, 100, 101,116].
В работах В.Я. Севостьянова [100], Г.А. Арутюняна [5] глубина наклепа определяется исходя из предполагаемой геометрии зоны пластической деформации. Задача по определению глубины пластически деформированного поверхностного слоя при механической обработке с использованием методов теории упругости и пластичности решалась В.Н. Подураевым [95], Б.У. Шарипо-вым [116], Л.С. Мурашкиным [70].
В.Г. Семеновский [99], В.А. Козлов [55] для расчета глубины наклепа использовали теорию подобия и размерностей. М.В. Касьян [56], A.M. Сулима [102] рекомендуют определять глубину наклепа по эмпирическим зависимостям.
Характерной особенностью рассмотренных методов определения глубины пластической деформации под линией среза является то, что они требуют предварительного определения таких величин как угол сдвига при стружкооб-разовании [5, 55, 99, 100], коэффициент усадки стружки [70], усилия резания [118], угол схода стружки [55]. Слабой стороной формул для расчета глубины наклепа является их неуниверсальность. Кроме того, во всех формулах влияние скорости резания учитывается косвенно, через изменение угла сдвига или коэффициента усадки стружки.
Рис. 1.3 и 1.4 иллюстрируют сопоставление расчетных значений глубины пластической деформации, подсчитанных по различным формулам, с экспериментальными данными, приводимыми в литературе [50].
Теоретические решения дают значительное расхождение, как между собой, так и с экспериментальными данными. Наиболее близкие расчетные значение глубины пластической деформации к экспериментальным дают формулы Г.А. Арутюняна [5] и эмпирическая зависимость М.В. Касьяна и Г.А. Арутюня-на [56]. Однако преимущество этих расчетных зависимостей перед другими не сохраняется, если изменить обрабатываемый материал и условия резания. Так, например, измерения микротвердости поверхностного слоя стали 40Х, предварительно отожженной и проточенной, при V = 3,3 м/с, д = 0,13 мм/об и t = 1 мм резцом, оснащенным пластиной кермета НС20М (у = -5, а — 5, X — 4, (р = pj =45), показали глубину наклепанного слоя равной 0,3 мм [70]. Значение Н подсчитанные соответственно по формулам работ [100, 5, 56, 70] для этих условий обработки составляют 0,143; 0,074; 0,166; 0,136 и 0,381 мм. Как видно формулы, полученные в работах [5, 56] в этом случае дают расхождение с экспериментом в 1,9-4 раза. Для данных условий обработки предпочтительной является формула В.Н. Подураева [94].
Исследование изменения свойств рабочего слоя роликов в процессе эксплуатации МНЛЗ
Стойкость роликов МНЛЗ существенно зависит от характеристики материала, из которого они изготовлены [40, 74] и степени их изменения в процессе эксплуатации. В настоящее время ролики МНЛЗ изготавливаются цельными и с наплавленным слоем. Материалом цельных роликов преимущественно является сталь марок 25Х1МФ, 25Х1М1Ф по ГОСТ 20072-74. Наплавленный слой формируется проволокой НП-ПП-25Х5ФМС толщиной до 8 мм [40].
С целью определения степени изменения свойств материала по сечению роликов в процессе их эксплуатации в МНЛЗ было выполнено исследование по определению его макро- и микроструктуры, химического состава, твердости и прочности. Исследованию подвергались ролики, отработавшие в МНЛЗ: №8615 - ролик 0240 мм с внутренним отверстием 050 мм (радиусный участок МНЛЗ); №18522 - наплавленный ролик 0330 мм с внутренним отверстием 070 мм (блочная группа).
Макроструктура металла изучалась на поперечных макротемплетах после глубокого травления в горячем 50%-ом водном растворе НС1. Макроструктура наплавленного и ненаплавленного роликов является плотной. Флокенов в их макроструктуре не обнаружено.
Химический состав металла определялся спектральным методом на приборе фирмы «Бэрд». Химический состав металла роликов определялся в 3-х точках: на наружной поверхности, в середине сечения и на поверхности осевого отверстия. Результаты химического анализа приведены в табл. 2.1.
По химическому составу металл роликов номер 8615 и 18522 соответствует стали марки 25X1МФ по ГОСТ 20072-74. У наплавленных роликов отмечено пониженное содержание хрома и повышенное содержание молибдена по сравнению с цельным валком.
Микроструктура металла оценивалась на микрошлифах, изготовленных из проб роликов номер 8615 и 18522 (рис. 2.2). Исследования микроструктуры выполнены на микрошлифах, вырезанных в 3-х точках по сечению роликов: с наружной поверхности, в середине сечения и с поверхности осевого отверстия.
Оценка загрязненности металла неметаллическими включениями проводилась под микроскопом на микрошлифах до травления по шкалам ГОСТ 1778-70. Загрязненность металла неметаллическими включениями в материале ролика №185222 у поверхности осевого отверстия и в середине сечения соответствует 3-4 баллу, а у наружной поверхности - 2-3 баллу по шкале ГОСТ 1778-70.
Загрязненность металла неметаллическими включениями ролика №8615 у наружной поверхности, в середине сечения и у поверхности осевого отверстия соответствует 2-3 баллу по шкале ГОСТ 1778-70. Включения имеют глобулярную форму и располагаются в виде скоплений.
Микрорентгеноспектральный анализ состава включений, проводившийся на растровом электронном микроскопе «Cascan» с использованием анализатора «Link», показал наличие в их составе Al, Si, S, Мп.
После травления микрошлифов в 4%-ом спиртовом растворе HNO3 выявлено, что микроструктура металла ролика №18522 состоит из зерен перлита и феррита в середине сечения и у поверхности осевого отверстия. У наружной поверхности микроструктура состоит из зерен перлита и ферритной сетки (рис. 2.3).
Перлит является сорбитообразным с начальной стадией сфероидизации. Микроструктура металла ролика №8615 у поверхности осевого отверстия состоит из зернистого перлита и феррита в виде сетки, в середине сечения - из зернистого перлита и феррита в виде разорванной сетки, и у наружной поверхности - из зернистого перлита и мелких включений феррита по границам зерен. Дисперсность зернистого перлита соответствует 2-3 баллу по ГОСТ 8233-56. Величина зерна оценивалась по шкалам ГОСТ 5639-82. Результаты оценки приведены в табл. 2.2.
Для определения механических свойств металла роликов №18522 и №8615 были вырезаны и изготовлены поперечные стандартные образцы для испытания на растяжение и ударный изгиб. Испытания проводились при комнатной температуре и приведены в табл. 2.3.
Удаление окалины механическим воздействием охлаждающей струи и тепловым ударом
Повышения стойкости роликов целесообразно добиваться не только за счет снижения интенсивности налипания окалины с поверхности НЛЗ на ролике, но и за счет удаления окалины с поверхности НЛЗ.
Проблема удаления окалины с поверхности непрерывнолитой заготовки непосредственно связана с состоянием поверхности роликов и с эффективностью системы охлаждения.
В связи с отсутствием единого подхода к выбору параметров системы охлаждения на МНЛЗ применяются системы с различным давлением, расходом воды, конструкцией форсунок, расстоянием от форсунки до непрерывнолитой заготовки и другими особенностями. С целью оценки эффективности удаления окалины существующими системами охлаждения НЛЗ автором была проведена попытка оценить их характеристики аналитически.
Основными параметрами, влияющими на удаление окалины с поверхности непрерывнолитой заготовки, можно считать усилие воздействия охлаждающей струи на слой окалины и термические напряжения, возникающие между слоем окалины и металлом непрерывнолитой заготовки вследствие перепада температуры между ними. Известно, что усилие охлаждающей струи на заготовку определяется зависимостью [101]. где у - объемный вес жидкости, 1-10 кгс/м ; р - площадь поперечного сечения струи, м ; v - скорость струи, м/с; g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с .
Использование зависимости (3.16) затрудняется тем, что отсутствуют данные по определению скорости встречи охлаждающей струи с заготовкой, которые требуют специальных экспериментальных исследований. Оценим скорость встречи струи с заготовкой теоретически.
Схема для определения скорости встречи струи с заготовкой представлена на рис. 3.8. Решая дифференциальное уравнение движения струи, получим зависимость для расчета скорости встречи струи с заготовкой, которая имеет следующий вид: где к - постоянный коэффициент; h - расстояние от форсунки до заготовки. Для упрощения математических выкладок были сделаны следующие допущения: продольное сечение струи принималось в виде треугольника; контур поперечного сечения имел вид прямоугольника;- движение жидкости в напорной линии равномерно; истечение жидкости сплошное.
Полученная зависимость (3.17) универсальна в применении и позволяет без трудоемких экспериментов оценить существующие конструкции системы охлаждения.
Расчет величины давления охлаждающей струи на заготовку показывает, что давление охлаждающей струи на заготовку составляет 0,23 — 0,28 МПа
При рассматриваемой температуре непрерывнолитой заготовки от 1150 до 1100С прочность сцепления окалины составляет от 0,05 до 0,1 кг/мм [20], следовательно давление, необходимое для удаления окалины соответственно равно 0,49-0,98 МПа. Фактическое давление охлаждающей жидкости на непрерывнолитую заготовку в несколько раз ниже и поэтому не может обеспечивать механическое удаление окалины с поверхности заготовки.
Более эффективным процессом удаления окалины с поверхности литой заготовки является термический удар вследствие воздействия охлаждающей жидкости на поверхность заготовки [24, 86].
Процесс теплового удара основывается на различии теплофизических характеристик металла и окалины, вызывающих напряженно-деформированные состояния при их нагревании или охлаждении. Охлаждающая жидкость вызывает резкое охлаждение слоя окалины и, вследствие различия в величинах линейного расширения металла и окалины происходит разрушение ее на поверхности металла.
Фрагмент непрерывнолитой заготовки с окалиной приведен на рис. 3.9. Коэффициент линейного расширения стали и окалины имеют различные значения - сс\ = 13,0 106, 1/С и а2 = 15,5 106, 1/С, т.е. а.\ а2. В слое окалины имеет место напряжение растяжения. В слоях нагретой стали, примыкающей к окалине, возникают напряжения сжатия.
Расчет размеров пластически деформированной зоны и глубины наклепа при механической обработке роликов
Из графика следует, что суммарная величина трещин до 0,8 мм практически не оказывает влияния на износ образцов. При больших значениях суммарной длины трещин их увеличение повышает износ материала ролика МНЛЗ. Особенно интенсивно увеличивается износ при наличии суммарной длины термических трещин, превышающей 4,4 мм.
Приведенные на рис. 4.8 значения суммарной величины термических трещин получены при испытании образцов с глубиной наклепа в диапазоне 0,1...0,5 мм. Увеличение длины трещин в указанном диапазоне глубины наклепа увеличивает износ образцов на 78%
На основании полученных результатов рекомендуется выполнять чистовую механическую обработку с минимальной величиной подач и минимальной величиной главного угла в плане и максимально допустимой скоростью резания.
С целью дальнейшего повышения качества поверхностного слоя целесообразно использовать многогранные пластины фирмы «Caramant» с большим радиусом закругления при вершинах или пластины круглой формы. Больший радиус скруглення пластин, а соответственно меньший главный угол в плане, способствует формированию поверхностного слоя роликов с меньшей глубиной и степенью наклепа.
Трудности, связанные с расчетом глубины деформации, значительно упростятся, если сформулировать математические соотношения между основными параметрами процесса резания и размерами этой зоны. Такие математические соотношения могут быть получены в результате решения задачи о формоизменении материала в зоне резания.
В соответствии с исследованиями Т.Н. Лоладзе [58], Н.В. Талантова [103] и других исследователей, зону, определяющую формоизменение срезаемого слоя, принимаем ограниченной плоскостями, параллельными условной плоскости сдвига.
В процессе деформации срезаемого слоя зерна вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. Исследованиями Н.Н. Зорева [28], Т.Н. Лоладзе [58], Н.В. Талантова [103] показано, что ориентация вытянутых зерен стружки составляет угол ц/ с направлением движения резания и не совпадает с углом наклона плоскости сдвига ф (рис. 4.9).
Это означает, что в зоне резания имеет место не однородное, а сложное напряженно-деформированное состояние под действием сдвигающей нагрузки и гидростатического давления направленного перпендикулярно границам пластически деформированной зоны.
В настоящей работе предлагается оценка размеров переходной пластиче-ски-деформированной зоны, а соответственно глубина распространения ее под линию среза, при переходе срезаемого слоя в стружку. В основу расчетного метода положим равенство усилия, действующей на границу переходной пластически деформированной зоны со стороны образующейся стружки, усилию, которое может передавать обрабатываемый материал, заключенный между границами этой зоны (рис. 4.10). Задачу решаем применительно к плоско-деформированному состоянию срезаемого слоя.
Дифференциальные уравнения равновесия для плоскодеформированного состояния, условие пластичности и дифференциальные уравнения скоростей перемещений имеют вид [64] где 7Х, Оу, тху - составляющие тензора напряжении; rs - предел прочности обрабатываемого материала на сдвиг; и у, о х - составляющие скорости перемещения материальных точек деформируемого элемента.
Если принять что в направлении оси X касательные напряжения могут изменять только знак, оставаясь постоянными по абсолютной величине, то из системы уравнений (4.1) следует Примем, что вдоль плоскости AJBJ Тху = т„ а по границе со стружкой А2В2 Тху =± ATS, где 0 А 1 - коэффициент, характеризующий изменение напряжений в зоне стружкообразования в результате потери сплошности [83] разрушения обрабатываемого материала, МПа м0 5; а - толщина среза, м; и - скорость резания, м/с; р - плот-ность обрабатываемого материала, МПа с /м . Таким образом, допускаем наличие несплошности в деформируемой зоне по границе со стружкой.Используя граничные условия у — 0, т = rs и у = б, т =±ATS ДЛЯ определения постоянных С], и Сі в уравнении (4.2) и решая систему уравнений (4.1) получим:
Подставим значение crx, jy, тху в уравнение пластичности: Это тождество удовлетворяется, если
Знак минус перед коэффициентом л( И индекс 3 при постоянной интегрирования относятся к участку ВіС, а знак плюс и индекс 4 - к участку CAi. С учетом соотношений (4.5) уравнения (4.3) преобразуется к виду:
