Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор технологий и оборудования для производства биметаллической сталемедной проволоки
1.1. Свойства проволоки 7
1.2. Способы производства проволоки 12
1.3. Существующие модели затвердевания металла 18
1.4. Состав оборудования, используемого для производства биметаллических композиций 24
1.5. Постановка цели и задач исследований 29
2. Матеметическое моделирование кинетики образования слоя меди на поверхности холодного металлического сердечника при взаимодействии с жидким металлом ...31
2.1 .Особенности взаимодействия сердечника с расплавом 34
2.1.1. Теплофизические 34
2.1.2. Гидродинамические 37
2.2. Математическая модель образования покрытия 40
2.3. Исследования теплообмена и образования покрытия на стальном сердечнике 44
2.4. Выводы 51
3. Исследование процесса образования слоя меди настальном сердечнике 52
3.1. Роль состояния поверхности сердечника при образовании биметаллического соединения 52
3.1.1. Состояние поверхностных слоев сердечника, обработанного металлической щёткой 54
3.1.2. Влияние подготовки поверхности сердечника на образование покрытия меди из расплава 63
3.1.3. Влияние подготовки поверхности сердечника на сцепление компонентов при образовании на нём слоя меди 66
3.2. Выводы 79
4. Конструирование оборудования и разработка технологии для производства биметаллической сталемедной проволоки 80
4.1. Конструирование агрегата для подготовки поверхности сердечника механическим способом 81
4.1.1. Определение энергосиловых параметров процесса подготовки сердечника вращающейся металлической щёткой 88
4.2. Конструирование устройств для образования покрытия на стальном сердечнике 99
Основные выводы 105
Библиографический список 106
Приложения 123
- Состав оборудования, используемого для производства биметаллических композиций
- Исследования теплообмена и образования покрытия на стальном сердечнике
- Состояние поверхностных слоев сердечника, обработанного металлической щёткой
- Определение энергосиловых параметров процесса подготовки сердечника вращающейся металлической щёткой
Введение к работе
Потребности современной техники и перспективы ее развития диктуют необходимость создания материалов с самыми разнообразными свойствами. Объединение нескольких компонентов в единую структуру позволяет получить совершенно новый композиционный материал со свойствами, отличными от его составляющих. При этом удается достичь не только качественно новых свойств продукции, но и существенно экономить дорогостоящие материалы компонентов, и, прежде всего, цветные металлы.
Решение актуальных вопросов электрификации железных дорог и городского транспорта, создание сетей высоковольтных линий электропередач и линий связи, производства отечественной электронной техники и продукции других отраслей требует улучшения качества и повышения объёмов, выпускаемых в России, биметаллических материалов и изделий и, в первую очередь, сталемедной проволоки.
Вопросам повышения качества биметаллической проволоки и разработке производства новых её технологий посвящено достаточно много теоретических и экспериментальных исследований учёных - Аркулиса Г.Э., Голованенко С.А., Меандрова Л.В., Левина Я.Н., Каракозова Э.С., Засухи П.Ф., Астрова Е.И. Стеблянко В.Л., и др.
В данной работе проанализированы существующие в мире способы производства и технологии получения биметаллической проволоки. Особое внимание уделено технологии, основанной на металлургическом способе производства, отмечается, что большинство недостатков этого способа трудноустранимы и требует новых технических решений.
Исходя из анализа современных и перспективных направлений развития технологий производства биметаллической проволоки и результатов предварительных исследований, обоснован выбор технологии, основанной на соединении металлических компонентов, находящихся в твердой и жидкой фазах, с непрерывным формированием заготовки со слоем покрытия.
Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование способа получения биметаллической сталемедной проволоки протягиванием стального сердечника через расплав с размерами, близкими к потребительским, и создание на этой основе технологии и оборудования непрерывной линии для её производства.
Для достижения поставленной цели в работе, решены следующие задачи:
- создать математическую модель, описывающую кинетику образования оболочки на поверхности стального сердечника;
- создать математическую модель, позволяющую конструировать оборудование с рабочим органом в виде гибкого инструмента, используемого для подготовки поверхности сердечника под покрытие;
- разработать устройство для подготовки поверхности сердечника под последующее покрытие, обеспечивающее совмещение очистки поверхности и нанесения тонких защитных плёнок;
- разработать устройство для производства биметаллической проволоки, позволяющее получать продукцию с размерами, близкими к потребительским;
- разработать технологию получения биметаллической проволоки с медным покрытием, основанную на протягивании сердечника через расплав, и комплекс машин и агрегатов, составляющих непрерывную технологическую линии для ее производства.
Состав оборудования, используемого для производства биметаллических композиций
В работах [20,21,45] рассмотрено получение заготовки и проволоки гидростатическим прессованием с оболочкой, более мягкой, чем сердечник. Процессу присуща преимущественная деформация наружного слоя [46-49]. На опытных установках получены образцы сталемедной проволоки с использованием сердечника из низкоуглеродистой стали. Однако сведений об изготовлении высокопрочной сталемедной проволоки таким способом нет. За рубежом [22] и в Россие [21,50], выполнен ряд разработок новых процессов, основанных на указанном принципе, однако следует отметить присущий данным способам высокий удельный расход энергии.
М.И. Бояршиновым предложен непрерывный метод производства меде-стальной катанки [51], сущность которого заключается в том, что стальная катанка заливается расплавленной медью в установке непрерывной разливки. Данный метод не апробирован на практике, однако осуществление его могло бы обеспечить высокие технико-экономические показатели.
В работе [52] рассмотрено устройство для изготовления биметаллической проволоки с использованием вращающегося магнитного поля, которое содержит тигель, снабженный спиралеобразным каналом, выполненным на его внутренней поверхности, кольцевой индуктор, создающий вращающее магнитное поле и матрицу, расположенную в центре дна тигля. Технической реализации данного устройства не произведено.
В работе [53] рассмотрено непрерывное нанесение материала оболочки из расплава (способ Дип Форминг), заключающийся в многократном протягивании стального холодного образца через расплав металла. Покрытие образуется в результате застывания расплава на сердечнике, температура которого ниже, чем температура расплава. Данная технология предусматривает наличие вакуума, что приводит к техническим трудностям, а как следствие удорожанию готовой продукции.
В работе [54] рассмотрены способы подготовки поверхности сердечник предшествующие формированию покрытия, заключающиеся в травлении, обезжиривании, флюсовании. Наиболее эффективным является способ непосредственной подготовки поверхности сердечника перед прохождением через расплав.
Известно [55], что перед вводом сердечника в ванну расплава, его предварительно нагревают до температуры значительно выше комнатной, в частности до температуры 200 - 400 С.
Влияние нагрева стальной проволоки при прохождении через расплав рассмотрено в работе [53] и выявлено, что нагрев до 400 С практически не влияет на предел прочности при растяжении.
Нанесение меди на стальную полосу рассмотрено в работе [56]. Максимальная толщина покрытия на полосе, нагретой до 400 С толщиной 1,2 мм , формируется при выдержке её в расплаве с температурой 1120 С в течение двух секунд. Однако при выдержке стальной ленты в расплаве меди образуются интерметаллиды, присутствие которых в биметалле нежелательно, а в некоторых случаях и вредно.
Известен способ получения биметалла, заключающийся в [57] пропускании полосы через подвижный профилированный разъемный кристаллизатор. Основные недостатки способа - низкие скорости вытягивания и опасность получения интерметаллидов в соединении отрицательно влияющих на электросопротивление биметаллической проволоки.
В работе [58] рассмотрен способ и устройство для получения тонких металлических длинномерных изделий, в котором металлическая полоса или про волока направляется через дно ёмкости, заполненной расплавом, и после формирования покрытия, пропускается через приводные ролики, расположенные над емкостью. Недостатком устройства, с отверстием в дне, является повышенное трение и опасность заклинивания заготовки даже при незначительных отклонениях от допустимых размеров. Известны способы бесслиткового литья металлических материалов в длинномерные тела. Металлическое тело проходит через литник, вводится в расплав сверху вниз [59], либо снизу вверх [60] и движется с жидким металлом, заставляя его постепенно охлаждаться. Толщина покрытия при таком способе производства биметалла находится в пределах нескольких десятков микрон, а на его поверхности имеются плёны оксидов, попадающие с зеркала расплава.
В работе [55] предложен способ, при котором основную полосу с чистой поверхностью пропускают через ванну металла. Покрытие, сформированное на поверхности, выравнивается с помощью валков. При этом стремятся, чтобы как можно больше металла подвергалось кристаллизации на основной полосе. Для этого она вводится в расплав при комнатной температуре, что приводит к сокращению времени кристаллизации покрытия и как следствие к уменьшению прочности соединения между выкристаллизованным материалом и основой.
Известен способ [61], заключающийся в непрерывной подаче неохлажденного очищенного металлического тела с низким теплосодержанием снизу вверх через ванну с расплавом металла, при этом высота уровня расплава в ванне и скорость стальной полосы являются регулируемыми величинами.
Острота проблемы повышения качества биметаллической сталемедной проволоки, увеличение объёмов её выпуска непосредственно связанная с разработкой более дешёвого способа наряду с существующим металлургическим и способом оборачивания.
Исследования теплообмена и образования покрытия на стальном сердечнике
Для количественной оценки роста корочки в ванне с расплавом были проведены расчеты с помощью предложенной математической модели.
Представленная модель описывает первую стадию процесса образования покрытия из четырех, описанных в [76]. Расчетная схема включает в себя основной и плакирующий металл. Начало координат расположено на оси симметрии сечения стального сердечника диаметром di = 2 ri .
На рис.2.5-2.12 приведены рассчитанные по описанной выше модели іра-фики распределения температур по сечению проволоки и образования корочки металла покрытия на стальном сердечнике.
Теоретическое изменение температуры по сечению биметаллической проволоки в процессе изготовления с сердечником диаметром 4 мм и при различных режимах образования корочки покрытия, при длине ванны с расплавом 25мм, показаны на рис. 2.5 и 2.6, а с сердечником диаметром 1 мм на рис. 2.7.
Анализ кривых, приведённых на графиках, показал, что за время образования корочки требуемой толщины, составляющей 40 % от площади поперечного сечения БСМ проволоки, последняя не успевает полностью прогреться до температуры 400 С, т.е. её механические свойства будут сохранены, при условии её быстрого охлаждения.
Перегрев расплава на 100 С приводит к повышению температуры в центре сердечника в два и более раза (рис. 2.5, рис. 2.6), при этом необходимая длина ванны с расплавом должна быть в пределах от 10 до 25 мм. При повышении скорости протяжки, с целью повышения производительности процесса, необходимо увеличить длину ванны с расплавом до 1000 мм. С целью охлаждения сформировавшегося покрытия необходимо начать этот процесс как можно быстрее. Для этого в сконструированном устройстве формирования корочки предусмотрено принудительное охлаждение с помощью холодильника с циркулирующей водой.
Для повышения эффективности охлаждения, начиная от выхода сердечника со сформировавшейся корочкой из ванны с расплавом, до выхода его из устройства, БСМ проволока находится в постоянном контакте с внутренней поверхностью фильер, установленных в начале устройства, а затем с, внутренней поверхностью волок, находящихся в конце устройства, играющих роль калибров, выводящих диаметр проволоки на необходимый размер.
Кроме этого, на выходе из устройства формирования покрытия необходимо применение душирующего устройства в виде трубы, по периметру которой встроены форсунки распыляющие воду и создающие водяной туман, образующий водяную завесу, эффективно охлаждающую проволоку.
Результаты теоретических расчетов формирования покрытия, на поверхности стального сердечника, в виде графиков представлены на рис. 2.7-2.11. Анализ графиков на рис. 2.7, показал, что начальная температура сердечника оказывает влияние на процесс формирования покрытия меди и, чем больше диаметр обрабатываемого сердечника, тем больше это влияние. При прочих равных условиях время образования покрытия на сердечнике диаметром 4 мм почти на два порядка выше, чем для сердечника диаметром 1 мм.
Для получения тех же результатов, т.е. формирования 40 % покрытия по площади, можно достичь изменяя размеры ванны с расплавом (рис. 2.8). Для этих целей устройство для формирования покрытия снабжено механизмом регулирования расстояния между входной и выходной фильерой.
Из графиков на рис. 2.9. видно, что первоначальная температура сердечника, т.е. температура сердечника перед погружением в расплав, в большей степени влияет на сердечник с меньшим диаметром, что, повидимому, связано с переходом сердечника в разряд «массивное тело», где теплопередача идёт медленнее.
Состояние поверхностных слоев сердечника, обработанного металлической щёткой
Первая зона - зона деформированной с различной степенью основы, в которой наблюдаются значительное измельчение зерна стали, текстурирование структуры. Деформированная зона имеет такое же строение, как и после обработки щетками, без нанесения покрытия.
Вторая зона - промежуточный слой, имеющий сложное строение, отличающийся по травимости, как от основного металла, так и от материала покрытия. Толщина этой зоны колеблется в пределах от 10 до 30 мкм, причем участки большей толщины следуют с некоторой периодичностью.
Третья зона - зона покрытия, структура этой зоны имеет цвет наносимого материала. На границе основной металл - покрытие видны отдельные бесформенные частицы меди, вкрапленные в сталь, количество этих частиц растет по направлению к поверхности, а поверхность предоставляет собой сплошной конгломерат схватившихся частиц меди.
В процессе плакирования проволочные элементы — ворсинки ударяются о поверхность сердечника, упрочняя ее поверхность. Параллельно с этим происходит перенос частичек материала с ЭМП на обрабатываемую поверхность, что приводит к формированию покрытия.
Анализ работ, посвященных исследованию щёточной технологии применяемой для обработки поверхностей с целью их очистки [116-118] и при нанесении покрытий [119,120] показывает, что при обработке в зоне контакта возникают высокие температуры. Для процесса очистки повышение температуры особой роли не играет, а при использовании щёток для нанесения покрытий нагрев поверхности в сочетании с ювенильностью характеризует её энергетическое состояние и способствует увеличению сил сцепления компонентов биметалла. При определении температур в зоне контакта ворса щётки прибегают к косвенным методам измерения (цвета побежалости, термокраски, замеры после остановки процесса и т.д.), что приводит к большим погрешностям, связанным со скоротечностью процесса и высокой теплопроводностью объекта.
Плакирование гибким инструментом относится к термомеханическим методам модификации поверхности на финишной стадии обработки изделий. Однако экспериментальное исследование тепловых полей при плакирующей обработке сталкивается с рядом трудностей. Большие мощности тепла, выделяемые в зонах контакта, и высокие скорости взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью и ЭМП, приводят к тому, что прямые измерения традиционными датчиками температуры становятся невозможными в связи с высокой методической погрешностью.
Для исключения недостатков перечисленных способов воспользовались методикой определения тепловых процессов при плакировании, на основании анализа интенсивности инфракрасного излучения нагретых поверхностей. По данной методике определили температуру на торцевой поверхности щётки. Более подробно методика изложена в работе [121].
Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы. Температура торцов поверхности щётки достигает 200 С, а температура в непосредственной зоне контакта инструмента с обрабатываемым изделием достигает более высоких температур, а формирование покрытия на поверхности сердечника происходит только при достижении температуры в зоне контакта металлической щетки с изделием не менее 200 С.
Для непрерывного контроля температуры движущейся металлической проволоки был использован преобразователь температуры, работающий по принципу естественной термопары [122]. В качестве усилительного устройства использована высокостабильная схема представленная в работе [123]. Полная схема устройства для контроля температуры сердечника перед его взаимодействием с расплавом меди приведена в работе [124].
Эксперименты по определению температуры сердечника диаметром от 1,0 до 3,0 мм (см. рис. 3.11.), обработанного щетками, показали, что при навивке восьми оборотов проволоки на барабан, щетка с диаметром ворса 0,25 мм при натяге 1,0-2,0 мм нагревает ее до температур 65 - 140 С, при скоростях пропускания 0,5 - 2,0 м/с.
Это объясняется тем что, при обработке сердечника, меньшего диаметра, при прочих равных условиях, интенсивность отвода тепла, в тело барабана, у тонкой проволоки выше, чем у толстой. Замеры микротвёрдости приповерхностных и поверхностных слоев образцов с покрытием, проводимые на твердомере марки ПТМ -3 при нагрузке 0,5 Н с шагом 50 мкм, показали увеличение микротвёрдости основы на 50-300 МПа, а металла покрытия примерно в три раза [125].
Микротвёрдость всех зон различна. Наиболее высока она в переходном слое и в 5 - 7 раз выше микротвёрдости основного металла. Это объясняется интенсивным наклепом, возникающим в процессе нанесения покрытия. Микротвердость третьей зоны чистого металла в 3-5 раз выше, чем твердость ЭМП, с которого производится перенос материала покрытия.
Определение энергосиловых параметров процесса подготовки сердечника вращающейся металлической щёткой
Плита, на которой смонтирована щётка 3 с приводом от электродвигателя, через ремённую передачу, устанавливается в вертикальное положение, и щётка выводится из контакта с поверхностью барабанов 2. Сердечник 1 наматывается одним сплошным слоем на первый барабан по часовой стрелке, а затем сердечник наматывается на второй барабан также одним сплошным слоем, но против часовой стрелки.
Такой способ навивки даёт возможность щётке производить воздействие на обе половины периметра сердечника. Затем плита опускается, ворс щётки 3 вводится в контакт с барабанами с намотанным на них сердечником, включается привод вращения щётки, привод перемещения сердечника и привод вращения ЭМП 4. При этом ЭМП находится в контакте с ворсом щётки. Сердечник, перемещаясь, приводит во вращение барабаны, при этом на барабаны постоянно поступает и сходит сердечник, причём поступающий сердечник оттесняет намотанные витки, на расстояние равное диаметру обрабатываемого сердечника. При оттеснении происходит небольшое подкручивание сердечника. Для того чтобы происходило оттеснение, барабаны выполнены конусными и, со стороны поступления сердечника, снабжены галтелью, ширина которой равна пятнадцати диаметрам обрабатываемого сердечника и уклоном 1 : 20 (рис. 4.2).
Такой способ навивки позволяет сердечнику вступать в контакт со щеткой обеими сторонами и при переносе металла покрытия ворсом щетки формировать покрытие по всему периметру сердечника. Наличие большого количества витков сердечника позволяет одной щёткой многократно воздействовать на одну и ту же поверхность, что положительно влияет на формирование покрытия сердечника. Первые витки будут очищаться, подготавливаться под покрытие, а на последующие витки будет наноситься само покрытие, снимаемое с ЭМП контактирующего со щеткой 3.
Существует большое количество устройств, для удержания и подачи ЭМП [139], однако наиболее приемлемым является устройство, описанное в работе [140] . Устройство состоит из двух полых цилиндров, один из которых закреплён на корпусе ограждения щётки, а второй установлен в первом, с возможностью осевого перемещения, вместе с ЭМП, размещённом в нём. На торце второго цилиндра закреплён двигатель с валом упруго, через пружину, соединённым с ЭМП и приводящим его во вращение. Элемент материала покрытия выполнен в виде стакана, в донышке которого имеется отверстие, с резьбой для соединения его с валом двигателя. Такая форма ЭМП, как показывает опыт, обеспечивает наилучшие условия для съёма частиц металла ворсом щётки с последующим его переносом на обрабатываемый сердечник.
Кроме формы и режимов нагружения ЭМП, на качество покрытия оказывает влияние постоянство натяга, который создаётся за счёт сведения барабанов (рис. 4.2). Под натягом подразумевается разница между межосевым расстоянием, от момента контакта до рабочего положения, щётки и контактирующим с ней барабаном, на поверхности которого размещён сердечник.
Для возможности сведения, опора каждого барабана установленного кон-сольно, выполнена с ласточкиным хвостом в основании и отверстием с резьбой, причём в одной опоре выполнена резьба правая, а в другой — левая (см. рис. 4.3). Опоры соединены между собой с помощью винта, имеющего с одной стороны правую, а с другой левую нарезку. Ласточкины хвосты опор барабанов установлены в паз основания, имеющего такой же профиль, с возможностью их перемещения. При вращении винта опоры могут сходиться или расходиться, а барабаны, находящиеся на этих опорах, прижиматься или отходить от торца щётки.
Механизм сведения барабанов выполнен таким образом, что к валу винта крепится исполнительный механизм, который обеспечивает автоматическое слежение за процессом нанесения покрытия на сердечник [141].
Однако, как показывает опыт работы тянущих устройств с рабочим органом в виде барабана с галтелью, качество готовой продукции зависит от состояния рабочей его поверхности. Большие усилия при протяжке сердечника и постоянное его трение-скольжение о поверхность галтели барабана приводят к образованию наплыва в виде пояска в месте перехода галтели в цилиндрическую поверхность, который отпечатывается на поверхности проволоки и тем самым ухудшает товарный вид и качество продукции. Для восстановления рабочей поверхности галтели и барабана их необходимо перешлифовывать.
Для увеличения стойкости поверхности галтели и барабана нами используется та же самая технология нанесения покрытия вращающимися проволочными щётками. В технологический процесс изготовления барабанов заложен процесс поверхностного пластического деформирования поверхности галтели и барабана быстро (скорость до 40 м/с) вращающейся металлической щёткой с одновременным нанесением покрытия. В данном технологическом процессе применено двойное покрытие: первым слоем наносится медь марки Ml или МО, а вторым слоем- фторопласт [142].
Подобные барабаны применяются в гальваноагрегатах в качестве вытяжных при производстве биметаллической сталемедной микропроволоки. На Магнитогорском метизно металлургическом заводе в СПЦ-3 была обработана партия барабанов по выше изложенной технологии. В результате их стойкость увеличилась в 2-2,5 раза.
Система управления обеспечивает: замер тока статора приводного двигателя щетки; индикацию параметров тока и мощности; сигнализацию и аварийное отключения двигателя при перегрузках; стабилизацию процесса обработки сердечника, путем поддержания сигнала с датчика мощности на заданном уровне.
