Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 7
1.1. Анализ методов получения непрерывных заготовок и металлоизделий 7
1.2. Анализ технологических вариантов изготовления непрерывнолитых деформированных заготовок с применением литейно-ковочного модуля 15
1.3. Анализ расчетных методик определения напряженно- деф ормированного состояния при формировании заготовок 21
1.4. Выводы и постановка задач исследования 23
Глава 2. Методики проведения исследований 25
2.1. Общая схема и объекты исследования 25
2.2. Расчетная методика определения напряженно-деформированного состояния непрерывнолитых деформированных заготовок, изготовленных с применением литейно-ковочного модуля 27
2.3. Определение влияния температурных режимов кристаллизатора на формирование непрерывнолитых деформированных заготовок 31
2.4. Методика определения зависимости установившегося расхода заливаемого расплава от количества технологических циклов литейно-ковочного модуля 33
Глава 3. Теоретическое исследование процесса формирования непрерывнолитых деформированных заготовок на литейно-ковочном модуле вертикального типа 35
3.1. Инженерная постановка задачи 35
3.2. Математическая постановка задачи 37
3.3. Результаты решения и их анализ 46
Глава 4. Разработка конструкции и описание работы литейно-ковочного модуля горизонтального типа с двухсторонним выходом заготовки 54
4.1. Конструктивная схема и описание устройства 55
4.2. Описание работы устройства 56
4.3. Кинематика движения бойков кристаллизатора устройства и деформируемой заготовки 57
4.4. Устройство для гидравлической компенсации упругой деформации приводных валов ЛКМГ и его расчет 71
Глава 5. Экспериментальное исследование процесса формирования непрерывнолитых деформированных заготовок из цветных сплавов на литейно-ковочном модуле горизонтального типа 76
5.1. Исследование тепловых режимов при предварительном прогреве кристаллизатора 77
5.2. Исследование тепловых режимов при рабочем прогреве кристаллизатора 88
5.3. Исследование тепловых режимов при установившемся прогреве кристаллизатора 95
5.4. Определение оптимальных параметров процесса формирования непрерывнолитых деформированных заготовок из цветных сплавов 100
Основные выводы 104
Список литературы
- Анализ технологических вариантов изготовления непрерывнолитых деформированных заготовок с применением литейно-ковочного модуля
- Определение влияния температурных режимов кристаллизатора на формирование непрерывнолитых деформированных заготовок
- Математическая постановка задачи
- Кинематика движения бойков кристаллизатора устройства и деформируемой заготовки
Введение к работе
Повышение требований к продукции машиностроения вызывает необходимость решения проблемы качества заготовок и устойчивости технологических процессов их производства, что в значительной мере определяется технологическими возможностями и особенностями комплексов оборудования, на которых они реализуются. Из известных способов изготовления непрерывноли-тых деформированных заготовок (НЛДЗ) наиболее эффективным по экономическим показателям, а также по гибкости, простоте обслуживания, технологичности и габаритам является технология изготовления НЛДЗ с применением ли-тейно-ковочного модуля (ЛКМ). Однако наряду с бесспорными преимуществами данного способа имеются и недостатки, которые определяются недостаточной устойчивостью данного процесса, что приводит к возникновению аварийных режимов работы комплекса оборудования для его реализации и, как следствие, возникновением брака НЛДЗ.
Повышение устойчивости технологического процесса изготовления НЛДЗ с применением ЛКМ за счет установления зависимостей между силовыми, тепловыми и технологическими параметрами процесса, а также модернизация комплекса оборудования на их основе позволит прогнозировать и управлять качеством НЛДЗ еще на стадиях разработки и проектирования технологии и оборудования для их получения.
Проблемы получения качественных НЛДЗ рассмотрены в работах Оди-нокова В.И., Стулова В.В„ Воинова А.Р. и др. Однако, несмотря на это, проблема остается весьма актуальной, что требует новых подходов в исследованиях и разработке новых эффективных технологических процессов формирования НЛДЗ и совершенствования существующих способов.
Таким образом, актуальным направлением исследования является повышение качества НЛДЗ за счет управления технологическими параметрами процесса их формирования и совершенствование комплекса оборудования, с целью увеличения его надежности, устойчивости и производительности, которые до настоящего времени наименее изучены.
Целью настоящей работы является исследование закономерностей формирования НЛДЗ на основе изучения влияния технологических, тепловых и силовых режимов их изготовления, а также совершенствование комплекса оборудования для реализации устойчивого технологического процесса изготовления НЛДЗ из цветных сплавов. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи: выяснение причин низкой устойчивости технологического процесса изготовления НЛДЗ; разработка методик, устройств и программного обеспечения для исследования тепловых режимов и силовых факторов формирования НЛДЗ; построение математической модели процесса формирования НЛДЗ на ЛКМ с применением метода решения задач упругости и пластичности в случае, когда геометрия деформируемой заготовки описывается системой ортогональных поверхностей; анализ конструктивных схем ЛКМ и их усовершенствование с целью повышения устойчивости, надежности и производительности их работы; установление экспериментальных и теоретических зависимостей между тепловыми режимами кристаллизатора ЛКМ и технологическими параметрами формирования НЛДЗ из цветных сплавов; связь диаграмм состояния сплавов Pb-Sb и Al-Si с тепловыми режимами работы кристаллизатора ЛКМ и технологическими режимами формирования НЛДЗ; усовершенствование и разработка конструкции ЛКМ с горизонтальным расположением кристаллизатора и двухсторонним направлением выхода НЛДЗ и опытно экспериментальное его опробование для сплавов систем Pb-Sb и Al-Si; - определение оптимальных параметров процесса формирования НЛДЗ из цветных сплавов.
Актуальность работы подтверждается тем, что исследования проводились в рамках Госбюджетной НИР, утвержденной Президиумом ДВО РАН по теме «Разработка, исследование и внедрение нетрадиционных методов обработки металлов давлением», № госрегистрации 01.2.00.102358.
На защиту выносятся следующие основные положения: математическая модель и результаты расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) при формировании НЛДЗ; закономерности изменения тепловых параметров различных участков кристаллизатора ЛКМ в зависимости от предварительного, рабочего и установившегося его прогревов; связь диаграмм состояния заливаемых расплавов с распределением температур в различных участках кристаллизатора ЛКМ; усовершенствованная конструкция ЛКМ с горизонтальным расположением кристаллизатора и двухсторонним направлением выхода НЛДЗ; конструкция гидравлического устройства для компенсации упругой деформации приводных валов кристаллизатора ЛКМ; методика определения оптимальных параметров процесса формирования НЛДЗ из цветных сплавов.
Автор считает своей необходимостью выразить искреннюю благодарность сотруднику ИМиМ ДВО РАН с.н.с. Черномасу В.В .за оказание помощи и содействие при выполнении данной работы.
Работа выполнена в лабораториях и на экспериментальной базе Института машиноведения и металлургии ДВО РАН (г. Комсомольск-на-Амуре).
Анализ технологических вариантов изготовления непрерывнолитых деформированных заготовок с применением литейно-ковочного модуля
Эмпирическое правило минимума обжатия для получения удовлетворительной зернистости полосы из слитков сифонной разливки - 3:1, мелкосортных заготовок из легированных сталей 8:1. Есть сведения о соотношениях 10:1 и даже 12:1 [27].
Главная проблема — изменение формы кристаллизатора с каждым сечением заготовки. При расширении номенклатуры изделий невозможно использовать всю мощность литейной машины. Например, для рельсобалочных станов несовместимость отливки профильных заготовок, наиболее близких к окончательной форме продукции, усложнена тем, что обрабатываются множественные размеры двутавровой балки.
Преимуществом использования совмещенных процессов в металлургии является возможность уменьшения ликвации химических элементов в готовом прокате [28].
Недостатком является то, что особую остроту проблема совмещения процессов литья и деформации приобретает при отливке непрерывных заготовок из сталей, склонных к карбидной ликвации. Применение разливки расплавов с минимальной температурой перегрева [29] и внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл [30] сдерживалось необходимостью разработки дополнительного оборудования.
На совмещенных ЛПА без снижения производительности установок непрерывной разливки металл разливают в кристаллизатор одного сечения, а получение профилей заготовок заказного размера обеспечивается обжатием в прокатных клетях. В результате обжатия формируется поверхностная и уплотняется осевая зона непрерывнолитой заготовки, повышаются ее механические свойства. Скорость извлечения слитка МНЛЗ должна быть достаточной для затвердевания его по периферии.
Тенденции в разработке отечественного оборудования для производства НЛДЗ в повышении жесткости крепления крышек к стойкам станин: вместо обычных накидных болтов, используются клиновые крепления, обеспечивающие малую отдачу валков, являющуюся одним из основных условий возможности прокатки горизонтальных и наклонных элементов профилей в узких пределах полей допусков [31-34].
Преимуществом повышения жесткости арматуры качения является то, что при этом номинальную толщину изделий пересчитывают на минимальную. Наиболее оптимальным является согласованный режим прокатки.
Недостатком является сложность обеспечения сохранения равенства вытяжек по элементам профиля. Основная сложность при конструировании калибров состоит в необходимости учитывать повышенную усадку легированных сталей.
При совмещении разливки с прокаткой внутренняя температура заготовки выше линии ликвидус, вследствие чего уменьшается ее сопротивление деформации. В случае обжатия заготовки после полного ее затвердевания при температуре поверхности 1000С среднее давление металла на валки составляет 7,8 МПа, а в случае обжатия заготовки с жидкой сердцевиной - всего 3,5 МПа. Таким образом, совмещение процессов требует значительно меньшей мощности обжимного стана, сокращает число проходов и позволяет уменьшить габариты и массу прокатного оборудования.
Недостатком является то, что проблема изготовления тонких сечений из сплавов низкой пластичности не решается даже применением совмещенных методов производства—непрерывного литья и прокатки [35].
Метод получения непрерывнолитых деформированных заготовок (НЛДЗ) с применением ЛКМ, разработанный В.И. Одиноковым [36], существенно отличается от прочих технологических процессов изготовления и устройств непрерывного формообразования НЗиМ.
На рис. 1.3 схематично представлена структурно-компоновочная схема установки ЛКМ, принцип работы которой состоит в следующем: после заполнения металлом вертикального кристаллизатора 1, включается электродвигатель 2, от которого крутящий момент через редуктор 3 и привод 4 передается на эксцентриковые валы стенок кристаллизатора.
На рис. 1.4 схематично представлена конструкция устройства для получения НЛДЗ. Перемещение рабочих поверхностей стенок с наклонной верхней частью и вертикальных стенок обеспечивает деформацию формирующейся корочки с дифференцированным теплоотводом и поступление заготовки в нижнюю часть кристаллизатора на участок калибрования, где металл приобретает окончательную форму.
Определение влияния температурных режимов кристаллизатора на формирование непрерывнолитых деформированных заготовок
Для установления указанной зависимости был использован обогреваемый дозатор количества расплава вертикального стопорного типа. Высота подъема стопора от его первоначального положения (стопор полностью перекрывает подачу расплава) контролировалась с помощью рукоятки привода стопорного механизма. При этом нулевая метка, нанесенная на стопор, соответствующая его первоначальному положению, перемещалась вверх, указывая по закрепленной на крышке дозатора шкале, величину, на которую поднялся стопор от первоначального положения. Точность шкалы составляла 0,5 мм.
Первоначально были получены данные о величинах среднего расхода расплава из дозатора при различных высотах подъема стопора. Для чего в дозатор помещался расплав установленного объема (1000 см3) и определялось полное его время истечения. Затем расчетным способом определялся средний расход расплава из дозатора,
Опытно-экспериментальная установка ЛКМ оснащена тахометром, определяющим число оборотов приводных валов подвижного кристаллизатора ЛКМ, причем один оборот приводного вала соответствует одному технологическому циклу.
В дальнейшем кристаллизатор ЛКМ полностью, до необходимого (требуемого) уровня, заполнялся расплавом. С помощью командоапарата, регулирующего работу привода ЛКМ, задавалось количество технологических циклов (скорость вращения приводных валов).
После выдержки расплава в кристаллизаторе в течение времени, необходимого для его рабочего прогрева, осуществлялся запуск привода ЛКМ. При этом одновременно поднимался стопор дозатора и устанавливался расход, позволяющий поддерживать заданный уровень расплава в кристаллизаторе.
Затем по шкале снималось показание положения метки стопора и окончательно устанавливалась связь расхода расплава из дозатора с количеством тех нологических циклов ЛКМ. По результатам исследований был построен график, позволяющий связать указанные выше параметры.
В данной главе рассмотрен сложный процесс кристаллизации металла при одновременной его деформации на литейно-ковочном модуле. Подобное теоретическое исследование было проведено в работе [84]. При этом считалось, что привод осуществляется только нижними валами. Построенная в ИМиМ ДВО РАН вертикальная установка предусматривает как работу на двух нижних приводных валах, так и работу на четырех приводных валах. Использование двух приводных валов объяснялось тем, что техническое решение данного процесса легко осуществимо, а при четырех приводных валах требуется очень точное изготовление эксцентриковых шлицованных втулок, иначе суппорт, вращающийся на этих валах будет испытывать значительные циклические нагрузки даже при вращении валов на холостом ходу. Эта проблема в настоящее время легко решается путем использования изобретения [85], в котором предложено суппорт делать разъемным на штифтах. В этом случае появляется возможность применить при движении стенок кристаллизатора четыре приводных вала.
Вертикальный литейно-ковочный модуль (ВЛКМ) может работать в двух режимах: 1 - обе пары валков приводные; 2 - приводные только нижняя пара, верхние валы - холостые; в этом случае е2 » ej, верхние валы совершают ка-чательное движение. На рис. 3.1,а представлена формализованная схема рассматриваемого процесса в режиме 1. В этом случае каждая точка наклонных бойков совершает вращательное движение по радиусу, равному эксцентриситету. Из разливочного стакана жидкий металл поступает в охлаждаемый кристаллизатор с подвижными стенками, где он кристаллизуется, деформируется и выдается через калибровочный участок в виде непрерывного профиля заданного
поперечного сечения. Замкнутое в вертикальной плоскости пространство кристаллизатора ограничено как наклонными стенками (бойками), так и вертикальными охлаждаемыми плитами с передней и задней стороны (рис. 3.1 }а). Сам процесс будем рассматривать в вертикальной плоскости по наклонным бойкам, то есть влияние вертикальных плит на процесс деформации сводится к утверждениго, что течение металла по третьей координате равно нулю. Это дает возможность применить гипотезу плоского деформированного состояния.
Итак, рассматривается процесс кристаллизации и одновременно с этим деформирование образующейся корочки затвердевшего металла. Конфигурация области деформирования определяется геометрическими параметрами литейно-ковочного модуля (ЛКМ) (размеры бойка, угол наклона = 10, расстояние между осями эксцентриковых валов), скоростью разливки (длина жидкой зоны), толщиной образовавшейся корочки и толщиной готового профиля.
Процесс деформирования профиля на ЛКМ цикличный - привод наклонного бойка (стенка кристаллизатора) осуществляется через эксцентриковые валы (R= 5 мм), причем каждый боек приводится в движение от двух эксцентриковых валов. При одном повороте валов контакт бойка с профилем осуществляется только в течение 180. В дальнейшем бойки расходятся, и происходит перемещение заготовки вдоль оси разливки за счет боковых стенок, которые работают в противофазе с основными (рабочими) бойками.
Математическая постановка задачи
Устройство для непрерывного литья и деформации металла (рис. 4.2) включает водоохлаждаемый кристаллизатор, состоящий из четырех частей: двух боковых стенок 1, каждая из которых закреплена в суппорте 2 и приводится в движение двумя приводными эксцентриковыми валами 3, вращающимися навстречу друг другу в подшипниках, установленных в верхней и нижней стенках 5, приводящихся в движение в горизонтальной плоскости от одной из пар приводных эксцентриковых валов 3 посредством устройства 6, и плотно прижимающихся к боковым частям нажимными устройствами 7, установленными в стенках 4 станины через устройство 8, представляющее собой плоский нодшипник с шариками. Боковые стенки 1 имеют наклонные и прямые участки. Верхняя плита имеет окно для установки разливочного стакана. Такое же окно имеет и верхняя стенка 4 станины. Пара приводных эксцентриковых валов 3 приводит в движение стенки верхнюю и нижнюю стенки 5 через шарнирную систему 6. С правой стороны суппорты 2 крепятся на эксцентриковых валах 3 с помощью устройства, позволяющего перемещаться суппорту 2 относительно осей валов 3 по подшипникам скольжения. Эта схема довольно широко применяется в шарнирных эксцентриковых устройствах,
Работа устройства осуществляется следующим образом: при установившейся работе жидкий металл через разливочный стакан, установленный в окнах стенки 4 станины и верхней стенки 5, заливается в сборный кристаллизатор, образующий замкнутый объем, где происходит кристаллизация металла путем теплоотвода тепла подвижными стенками кристаллизатора и деформация затвердевшего металла. При вращении приводных эксцентриковых валов боковые стенки кристаллизатора совершают навстречу друг другу сложное движение в горизонтальной плоскости по замкнутой траектории, характеризуемое величиной эксцентриков, их ориентацией относительно друг друга и направлением вращения валов в каждой боковой стенке. Такое движение боковых стенок способствует деформации закристаллизовавшегося металла и попеременную выдачу заготовки. Верхняя и нижняя стенки кристаллизатора, связанные только с эксцентриковыми валами, совершают в процессе вращения валов 3 возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости, способствуя попеременному продвижению закристаллизовавшегося металла (самоподачу) выхода заготовки. Движение верхней и нижней стенок осуществляется через эксцентрики, расположенные на крайних участках валов 3 и повернутые относительно эксцентрика среднего участка, на котором крепится суппорт 1, на 90. Нижняя плита под окном имеет вставку и из твердосплавного материала, например, Ті С, предотвращающего размывание плиты.
Кинематика движения бойков связана с вращением валов, каждый из которых имеет два эксцентрика е и ej. Боковые бойки 1 (рис. 4.3) приводятся в движение эксцентриками е, плоские бойки 2 приводятся в движение эксцентриками ej. Вращение эксцентриковых валов показано стрелками на рис. 4.3. Как видим, боковые бойки двигаются по траектории, определяемой вращением эксцентриковых валов, повернутых друг относительно друга на 180 и вращающихся в разные стороны (рис. 4.4). Цикл поворота эксцентриковых валов определен точками 1, 2, 3, 4. Определим координату у произвольной точки А (х, У) Наклонные бойки и горизонтальные плиты приводятся в движение одними и теми же валами, но разными эксцентриками. Как было сказано выше, боковые бойки приводятся в движение эксцентриками е. При этом имеем четыре узловые точки (рис. 4,5). Рис. 4.5. Схема к расчету кинематики движения бойков кристаллизатора
Точка В. Начиная с этой точки, наклонный боек будет отходить от заготовки на участке II, т.к. угол между радиусом е и вертикальной осью равен /, а это угол наклона бойка. В то же время калибрующий участок I будет продолжать внедряться (деформировать) в заготовку при повороте эксцентрика от точки В к точке С. В дальнейшем, при повороте эксцентрика от точки С к точке В7 оба участка бойка (I, II) будут удаляться от поверхности заготовки.
Кинематика движения бойков кристаллизатора устройства и деформируемой заготовки
После аппроксимации экспериментальных данных экспоненциальными зависимостями были получены неравенства описывающие распределение установившихся температур в зависимости от номинального давления в системе охлаждения кристаллизатора. Полученные неравенства имеют вид: - для участка I:
Используя неравенства (5.4)-(5.6), можно определить область установившихся температур при различных условиях охлаждения кристаллизатора. Например, при номинальном давлении в системе охлаждения равном Р=0,3 МПа, область температур при установившемся режиме прогрева для различных участков кристаллизатора составит:-Для определения взаимного влияния технологических параметров предварительного прогрева различных участков кристаллизатора на его температуру был реализован полный факторный эксперимент типа 2х для двух независимых переменных, в качестве которых были выбраны температура пламени горелки (Тг=Хі—2200- 2800 С) и номинальное давление в системе охлаждения (Р=х2=0,05-г0,45 МПа). Откликом являлась температура участков кристаллизатора. После обработки результатов эксперимента с учетом их нормального распределения методом наименьших квадратов были получены уравнения регрессии, описывающие температуру при установившемся режиме на различных участках кристаллизатора:
На рис 5.6-5.8 представлено графическое отображение уравнений (5.7)-(5.9). Поверхности отклика представляют собой наглядную объемную картину взаимного влияния технологических параметров предварительного прогрева кристаллизатора на температуру различных его участков.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлены математические зависимости изменения температуры различных участков кристаллизатора от основных технологических параметров процесса предварительного прогрева кристаллизатора.
Полученные уравнения регрессии с большой достоверностью описывают процесс предварительного прогрева кристаллизатора, поскольку гипотеза об адекватности уравнений регрессии экспериментальным данным подтвердилась для всех уравнений (Fpac4 FT ), все коэффициенты уравнений регрессии статистически значимы (tpac,, (табл), относительная ошибка аппроксимации не превышает 6% и множественный коэффициент корреляции не меньше 0,98 при доверительной вероятности равной 0,95.
Полученные данные распределения температур являются начальными условиями при исследовании стадии рабочего прогрева кристаллизатора.
При исследовании теплового режима рабочего прогрева кристаллизатора была выдвинута гипотеза о взаимосвязи технологических режимов получения НЛДЗ с диаграммами состояния заливаемых металлов. Согласно вьщвинутой гипотезе тепловой режим различных участков кристаллизатора должен обеспечить следующие условия (требуемые технологические параметры):
Участок I. Температура этого участка должна обеспечить в течение определенного технологического времени (гтехн) теплообмен с заливаемым металлом таким образом, чтобы его температура удовлетворяла следующему условию: Ts+tS T TL+AT, (5.10) где Ts - температура солидуса, С; TL - температура ликвидуса, С; AT - величина перегрева заливаемого сплава над температурой ликвидуса, С. При выполнении этого условия обеспечивается полная заполняемость кристаллизатора металлом. Участок П. Температура этих участков должна обеспечить в течение определенного технологического времени (ігехн ) теплообмен с заливаемым металлом таким образом, чтобы его температура удовлетворяла следующему условию: TT T Ts + -i, (5.11) где Тт - технологическая температура, при которой исследуемый сплав деформируют в горячем состоянии при обработке металлов давлением [90].
Эта температура близка к реологической температуре пластической деформации исследуемого сплава в твердом состоянии.
При выполнении этого условия обеспечивается деформирование заливаемого металла при наименьших нагрузках на приводные валы парных боковых стенок кристаллизатора.
Участок III. Температура этих участков должна обеспечить в течение определенного технологического времени (г ехн) теплообмен с заливаемым металлом таким образом, чтобы его температура удовлетворяла следующему условию: Т = ТТ. (5.12)
При выполнении этого условия обеспечивается деформирование заливаемого металла в калибровочных частях кристаллизатора с гарантированным получением соответствующего профиля поперечного сечения НЛДЗ при наименьших нагрузках на приводные валы парных боковых стенок кристаллизатора.
Очевидно, что при выполнении условий (5.10) и (5.11) обеспечивается направленное объемное затвердевание металла в кристаллизаторе.
В качестве объектов исследования при рабочем прогреве кристаллизатора были выбраны сплавы системы Pb-Sb (1% Sb) и Al-Si (Si 1%), основные характеристики которых представлены в таблице 5.2.
Температура перегрева заливаемых сплавов (AT) над температурой TL составляла 50 С. Такая величина перегрева соответствует условию полной заполняемое кристаллизатора. Сплав системы Pb-Sb заливали при двух режимах предварительного прогрева кристаллизатора - режимах 5 и 6.
