Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние процессов изготовления гильз кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок, постановка задач исследования 10
1.1. Требования предъявляемые к качеству гильз кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок 10
1.2. Анализ технологий изготовления гильз кристаллизаторов 19
1.3. Тенденции развития конструкций и технологий изготовления кристаллизаторов МНЛЗ 22
1.4. Выводы по главе 1 24
1.5. Цель и задачи исследования 25
2. Разработка классификации методов объемного формообразования труб и выбор способа объемной штамповки труб-заготовок гильз кристаллизаторов машин непрерывного литья 27
2.1. Классификация методов объемного формообразования труб 27
2.2. Выбор метода объемного формообразования труб-заготовок для гильз кристаллизаторов 40
2.3. Выводы по главе 2 47
3. Математическая модель процесса горячей вытяжки ковкой на оправке заготовок для гильз кристаллизаторов 48
3.1. Выбор модели процесса вытяжки трубы ковкой на оправке и принятые допущения 48
3.2. Определяющая система уравнений 52
3.3. Граничные условия и результаты вычислений 58
3.4. Определение усилия пресса при вытяжке трубы ковкой на оправке. 70
3.5. Выводы по главе 3 70
4. Экспериментальное исследование параметров горячей вытяжки на оправке труб-заготовок медных гильз кристаллизаторов и финишной обработки кованой трубы протяжкой, проверка адекватности математических моделей 72
4.1. Адекватность моделей напряженного и деформированного состояний материала кованых труб-заготовок для гильз кристаллизаторов 72
4.2. Физико-механические свойства кованых медных труб-заготовок гильз кристаллизаторов 78
4.3. Химический состав медных материалов, применяемых в экспериментах 85
4.4. Металлографические исследования медных труб-заготовок гильз кристаллизаторов 86
4.5. Определение режима нагрева медных труб-заготовок для процесса ковки 91
4.6. Исследование температурного поля в теле заготовки 94
4.7. Исследование режимов финишной операции протягивания и качества поверхности изготовленных медных гильз кристаллизаторов 96
4.8. Исследование стойкости медных гильз кристаллизаторов 104
4.9. Выводы по главе 4 106
5. Разработка методики проектирования технологии изготовления медных гильз кристаллизаторов 108
5.1. Методика проектирования технологии изготовления медных гильз для кристаллизаторов 108
5.2. Маркетинг и изучение рынка 118
5.3. Экономическая оценка эффективности технологии изготовления гильз для кристаллизаторов 126
Основные результаты и выводы по работе 133
Литература 135
Приложения 146
- Анализ технологий изготовления гильз кристаллизаторов
- Выбор метода объемного формообразования труб-заготовок для гильз кристаллизаторов
- Граничные условия и результаты вычислений
- Физико-механические свойства кованых медных труб-заготовок гильз кристаллизаторов
Введение к работе
Для решения важнейших задач экономического развития страны, еобходимо прежде всего повышение эффективности производственных роцессов, у которых низкая производительность труда, высокая себестоимость зделия, велики затраты материалов и невысокое качество продукции. К таким роцессам относится технология изготовления гильз для кристаллизаторов ашин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Эффективность непрерывного литья заготовок на протяжении последних есятилетий является критерием оценки технического уровня черной іеталлургии [1, 8]. Кристаллизатор - самый ответственный узел машин епрерывного литья. В кристаллизаторе формируется слиток. Он служит ппаратом для отвода теплоты при кристаллизации затвердевающего металла.
От качества кристаллизатора зависит качество продукции и іроизводительность МНЛЗ. Кристаллизаторы МНЛЗ работают в условиях сиклических интенсивных тепловых потоков (плотность тепловых потоков (остигает 20 МВт/м ), интенсивного износа, циклических термодинамических [апряжений, разных типов коррозии, диапазоне температур 293...863 К. Срок лужбы кристаллизаторов значительно меньше срока службы других сменных (еталей. Отказы приводят к простоям, авариям на производстве, влияют на дологическую безопасность и безопасность труда.
Наибольшее распространение получили гильзовые кристаллизаторы, 'абочим элементом гильзового кристаллизатора является гильза. Основные гоеимущества применения гильзовых кристаллизаторов следующие:
отсутствие стыков в рабочем элементе, которые часто бывают причиной зависания корочки слитка;
высокая интенсивность теплоотвода, что позволяет разливать стали с более высокими скоростями;
- менее трудоемкая технология замены рабочего элемента [28, 39].
Производство гильз для кристаллизаторов является сложной
технологической задачей.
Материал гильзы кристаллизатора (ПС) должен обладать уникальным эчетанием химических, теплофизических, физико-механических и других зойств. Использование медных сплавов повышает износостойкость гильз.
Процесс изготовления отечественных ПС характеризуется низким гхнологическим уровнем производства, значительным износом оборудования, олыной трудоемкостью процесса, нерентабельностью, низким уровнем ачества продукции и, как следствие, неконкурентоспособностью на рынках ромышленно-развитых стран.
Особенно актуальной становится задача изготовления отечественных ПС в ыночных условиях, для заводов тяжелого машиностроения Российской Федерации с их уникальным оборудованием и большими интеллектуальными есурсами. Разработка технологии изготовления гильз кристаллизаторов, по :ачеству не уступающих лучшим мировым образцам, является наиболее >ациональным путем выхода на рынки промышленно-развитых стран и )беспечения экономического благосостояния страны. Решение этой задачи юзможно только на основе разработки новых «высоких технологий» и «^пользования новых материалов.
В структуре затрат базового технологического процесса производства гильз кристаллизаторов наибольшие расходы связаны со стоимостью медной грубы-заготовки и большими отходами. Коэффициент использования металла при применении существующих технологий не достигает 40%.
Для большинства типоразмеров гильз кристаллизаторов, отечественная промышленность не выпускает тонкостенные трубы, обеспечивающие возможность получения гильз с необходимыми потребительскими свойствами, минимальными издержками производства и высоким коэффициентом использования металла. Более того, трубы из некоторых материалов, необходимых для ПС, нашей промышленностью не производятся. Например, трубы из медных серебросодержащих сплавов, гильзы из которых пользуются широким спросом, особенно за рубежом.
Анализ возможных альтернатив производства гильз кристаллизаторов НЛЗ, показал, что для решения этих задач наиболее перспективны 2ХНОЛОГИИ изготовления ГК из литых заготовок объемным ормообразованием с последующей финишной обработкой протягиванием, [одучение данными методами гильз кристаллизаторов значительно повышает ффективность изготовления за счет увеличения производительности процесса, кономіш металла и улучшения качества изделия.
Однако, известные методы объемного формообразования заготовок ГК и х финишной обработки протягиванием мало изучены. Имеющиеся екомендации не являются достаточными для разработки расчетных моделей фоцессов и проектирования промышленных технологий. Отсутствуют еоретические анализы и систематические экспериментальные исследования тих технологий. На пути их практического освоения сделаны лишь первые иаги. Известные технологии изготовления гильз кристаллизаторов имеют ряд іедостатков и нуждаются в совершенствовании.
Учитывая изложенное, актуальной является цель работы - разработка іаучно обоснованных методик расчета параметров и основ проектирования іроцессов изготовления медных гильз кристаллизаторов, разработка и анедрение на этой основе технологий получения гильз кристаллизаторов, эбеспечивающих высокий технологический уровень, рентабельность производства, требуемое качество продукции, уменьшение трудоемкости и материалоемкости, конкурентоспособность на мировом рынке изделий металлургического машиностроения.
Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с комплексными программами № 01.200.1.19412 «Создание малого гибкого производства кристаллизаторов» и № 01.20.00.13478 «Технология конкурентоспособного производства кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок».
Поиск новых технических решений по совершенствованию технологий получения гильз кристаллизаторов и расширению их номенклатуры,
міучаемьіх методами объемной штамповки, затруднен из-за отсутствия іассификации, объединяющей основную группу процессов формообразования готовок ГК.
Подход к процессам получения методами объемной штамповки заготовок К как к технологической системе, совершенствование которой происходит во іаимосвязи с основными направлениями работ по экономии ресурсов в ашиностроении, показывает необходимость решения задачи на основе остижений и дальнейшего развития теории и технологии малоотходных роцессов объемной штамповки деталей и точных заготовок.
Большой вклад для решения задач разработки технологий изготовления зготовок ГК, имеют результаты проведенных исследований в различных спектах объемной штамповки, выполненные отечественными и зарубежными чеными; Аксеновым Л.Б., Артесом А.Э., Бересневым Б.И., Богоявленским *.Н., Головиным В.А., Дмитриевым A.M., Евстратовым В.А., Евстифеевым \.В., Ивановым К.М., Ланским Е.Н., Лясниковым А.В., Мишуниным В.А., Іавроцким Г.А., Овчинниковым А.Г., ОленинымД.Д., Паршиным В.Г., Рисом 5.В., Степанским Л.Г., Фаворским В.Е., Филимоновым Ю.Ф., Lange К., Zeldman С, Volkner W. и многими другими.
Значительное развитие технологии и конструкции гильз іристаллизаторов машин непрерывного литья получили в работах, іьтолненньїх во ВНИИметмаше, под руководством Сивака В.Б., Целикова V.A., Шифрина И.Н. и др. Большие успехи в данной области достигнуты іарубежньїми учеными Wimmer F., Thone Н., Pavliceiers М., Gensini G., ferryman R. и др.
Благодаря выполненным работам выявлены основные условия формообразования заготовок ГК в зависимости от характера напряженно-реформированного состояния, качества поверхности и других факторов, предложено несколько гипотез, объясняющих механизм течения металла. На эснове феноменологического подхода теории пластических деформаций металлов и экспериментальных исследований ряда способов объемного
самообразования заготовок ГК получены зависимости для определения шовых параметров процессов и прочностных характеристик изготавливаемых їталей.
Однако, возникают новые задачи, связанные, в частности, с расширением эменклатуры металлов и сплавов, деформируемых малоотходными методами эъемной штамповки, поиском экономичных и эффективных технологий. Не айдено оптимальное соотношение между критериями цена-качество.
В диссертации на основании выполненных автором исследований и азработок осуществлено решение задачи, в которой содержатся гхнологические разработки, имеющие существенное значение для экономики, зключающиеся в разработке комплексной технологии изготовления гильз ристаллизаторов, включающей процессы ковки медных труб с последующей ротяжной операцией.
Разработанные теоретические положения, методы расчета и новые ехнологические решения опираются на труды по теории упругости, ластичности, разрушения, обработке металлов давлением, системному анализу [ математической статистике. При реализации экспериментов использовались іетодьг твердости и микроанализа.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением іатематической статистики при обработке экспериментальных данных, щенкой адекватности разработанных расчетных моделей реальным процессам. Іодтверждена внедрением результатов исследований в производство.
Научная новизна работы заключается в разработке научно обоснованных методик расчета параметров и проектирования технологий изготовления медных гильз кристаллизаторов, основанных на результатах теоретических и жспериментальных исследований, включающих:
классификацию процессов объемного формообразования медных труб и методику оценки рациональности их применения методами системного шализа, на основе которых предложены новые перспективные технологические
япения изготовления гильз кристаллизаторов, обеспечивающие повышение |)фективности их производства и улучшения качества.
научно обоснованную методику проектирования технологических эоцессов формообразования медных гильз кристаллизаторов, позволяющую і основе математических моделей процессов на стадии разработки технологии зуществить выбор технологических режимов, оборудования и инструмента, іределить возможность изготовления детали и провести косвенное рогнозирование эксплуатационных характеристик изделий.
разработанные и реализованные в промышленном производстве ;хнологии изготовления типовых гильз кристаллизаторов, проектируемые с рименением научно обоснованных в диссертации методик расчета и екомендаций;
методики экспериментального исследования технологических параметров роцессов ковки медных труб с последующей протяжной операцией, озволяющие установить закономерности процессов, сформулировать раничные условия для анализа напряженного и деформированного состояния в чаге деформации, проверить адекватность математических моделей и остроить статистические модели параметров процессов;
методику проектирования оптимальных инструментов, заготовок, ехнологических режимов вытяжки ковкой медных труб, основанную на еоретическом анализе данного процесса и феноменологической теории іазрушения, позволяющую получить максимально возможную величину ісевой деформации трубы при отсутствии дефектов;
мегодику проектирования температурных режимов печи при нагреве аготовок, обеспечившую допустимый уровень термических напряжений в аготовке, экономичность и требуемое качество поковок.
Практическая ценность и реализация работы. На основе предложенных в щссертации методик расчета и установленных закономерностей процессов їзготовления медных гильз кристаллизаторов, результатов исследования тараметров процессов разработаны при личном участии автора и внедрены на
АО «Электронно-лучевая печь» (г. Орск) новые технологии получения гильз жсталлизаторов методами горячей объемной штамповки с последующей эотяжной калибровочной операцией. Внедрение новых технологий зеспечило повышение коэффициента использования металла на 20...30%, сличение стойкости гильз в 2,0...2,5 раза, возможность изготовления гильз с шциной стенки 15... 25 мм и длиной до 1000 мм.
Новая технология имеет широкое прикладное значение и может рименяться при производстве тиглей печей, дивеаторных пластин грмоядерных реакторов, элементов системы охлаждения АЭС, деталей осмических аппаратов и т.п. на предприятиях АО «Оскольский электро-еталлургический завод», АО «Новолипецкий металлургический комбинат, АО Северсталь», АО «Орско-Халиловский металлургический комбинат» и др.
Публикации и апробация работы. Материалы исследования опубликованы 17 печатных трудах. Результаты работы доложены и обсуждены на [еждународных и республиканских научно-технических конференциях в Іовгороде - 1996 г., Орске - 1996 г., Пензе - 1998 г., Орске - 2000 г., Уфе -000 г., Оренбурге - 2000 г, Оренбурге - 2001 г., Орске - 2001 г., Оренбурге -002 г., Пензе - 2002 г. Работа в полном объеме обсуждена и одобрена на :афедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Іетербургского государственного политехнического университета в 2003 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 >азделов, основных выводов, списка литературы из 136 наименований и гонложения. Содержит 98 страниц машинописного текста, 47 рисунков и 11 аблиц.
/б
Анализ технологий изготовления гильз кристаллизаторов
Технологии изготовления гильз кристаллизаторов весьма разнообразны.Определенный интерес представляет способ производства гильз, припаиванием стенки к корпусу. Материал стенки выбирается с большим сродством к кислороду, чем материал корпуса. В процессе деформирования более тонкая стенка припаивается к массивному корпусу [30]. Недостатком технологии является низкая прочность соединения стенка-корпус.
Способ изготовления кристаллизаторов химически активным жидким веществом заключается в том, что стенки формируются с помощью жидкости, разъедающей металл кристаллизатора. При этом, управление объемом удаленного металла осуществляется посредством изменения уровня жидкости относительно кристаллизатора [31]. Технология эффективна для сплавов, на поверхности которых практически не образуется пассивирующая пленка, тормозящая процесс коррозии. Технология экологически опасна.
В Японии и Англии запатентованы технологии запрессовки графитовой стенки в корпус. Стенки пропитаны смолой и имеют диаметр несколько превышающий диаметра корпуса. На внутренней поверхности корпуса имеется нарезка. При запрессовке графитовая пыль плотно забивает зазоры в нарезке, обеспечивая хорошую теплопроводность [32, 33].
Фирма «Конкаст» выполняла операцию соединения стенки и корпуса кристаллизатора с помощью взрыва [34]. В США разработан способ получения медных гильз сваркой стенки и корпуса [35]. Сварной стык между стенкой и корпусом является слабым местом кристаллизаторов.
Опыт эксплуатации кристаллизаторов различных конструкций показал, что наиболее надежными в эксплуатации являются кристаллизаторы, в которых медная рубашка выполнена в виде цельной гильзы.
Ведущими зарубежными фирмами освоено производство гильз кристаллизаторов различного профиля и сечений. В частности, германская фирма «KM-Kabelmetal» - лидер в Европе по производству ПС, изготавливает кристаллизаторы круглого, квадратного, прямоугольного, шести- и восьмигранного профилей, в виде рельса и др. (рис. 1.1.3) [23].В Российской Федерации ПС изготавливают из проката и слитков, представленных в таблице 1.2.1.
Экономически они нецелесообразны, т.к. коэффициент использования металла ниже сорока процентов [34].Технология изготовления заготовки существенно влияет на ее физико-механические свойства. В литом состоянии медь имеет крупнозернистую структуру. Под воздействием термических напряжений, при условиях слабой связи между крупными зернами, по границам последних образуются трещины даже при воздействии на литой металл относительно небольших механических усилий. Для повышения качества и производительности процесса предлагалось перед осадкой литые заготовки подвергать прессованию с коэффициентом вытяжки 4...6. Осадку выполняли со степенью деформации 60...90%, а объемную штамповку осуществляли в интервале температур 823... 1063 К при скорости деформации 250... 1500мм/мин [36].
Повышение качества сплавов на медной основе обеспечил способ термомеханической обработки, включающий закалку, деформирование, старение и повторное деформирование заготовки со степенью обжатия 50...90% [37].
Согласно технологии, запатентованной США, гильза кристаллизатора выполнялась из медного сплава, подвергнутого холодной деформации 15...40%. Теплопроводность сплава составляла 40...75% чистой меди. Сплав содержал, кроме меди в качестве основного компонента, 0,18...0,4% Sn; 0...0,22% Mg; 0,3...0,7% Si; 0,45...0,25% Ni; 0,02...0,15% Li и 0,02...0,15% Ag Анализ литературных источников показал, что технологии изготовления гильз кристаллизаторов из литых заготовок в Российской Федерации практически не исследовались. Кованые гильзы, для установки непрерывной разливки, эксплуатируемые на ряде отечественных предприятий, например, «Орском заводе обработки цветных металлов», изготавливались в США. Стойкость этих гильз в 3...4 раза превышает стойкость гильз отечественного производства. В качестве исходной заготовкой использовалась цельнотянутая труба с толщиной стенки 100 мм. Технология США изготовления гильзкристаллизаторов до настоящего времени остается неизвестной для российских специалистов [29].
Техническая система кристаллизаторов находится в стадии интенсивного развития. Значительное количество решений, касающихся геометрии и материала покрытий внутренней полости рабочих органов кристаллизаторов, в конечном итоге привело к увеличению производительности МНЛЗ и повышению качества продукции. Тенденции развития конструкций и технологий изготовления кристаллизаторов МНЛЗ представлены в разделе 1.3.
Основные направления совершенствования кристаллизаторов МНЛЗ заключаются в оптимизации формы и конструкции их рабочих органов, организации внешних воздействий на разливаемый металл с целью повышения качества слитка, интенсификации тепловых процессов и улучшении технико-экономических показателей [34].
Тенденция совершенствования конструкции и технологии изготовления гильз кристаллизаторов определена рядом факторов: необходимостью постоянного изменения сортамента разливаемых сталей в соответствиис запросами потребителей и развитием рыночных отношений; требованиями модернизации существующих МНЛЗ, для обеспечения конкурентоспособности; необходимостью создания конструкции кристаллизатора, компенсирующей различные свойства сталей и сплавов. Например, усадку.
Одним из способов улучшения качества стали и увеличения срока службы гильзы кристаллизатора, является покрытие рабочей полости гильзы специальными материалами. Широко используются ГК с никелевым покрытием различной толщины. Реже применяют ГК с хромистым покрытием
Выбор метода объемного формообразования труб-заготовок для гильз кристаллизаторов
Технологический процесс объемного формообразования трубы-заготовки гильзы кристаллизатора характеризуется высокими требованиями предъявляемыми к производительности процесса, качеству, себестоимости изделия и другими показателями эффективности технологии. Задача проектирования данного техпроцесса имеет несколько решений. Нахождение у наилучшего решения среди множества возможных, в соответствии с однимили несколькими критериями эффективности, обеспечивают методыоптимального проектирования. Современное проектирование оптимальныхтехнологических процессов основывается на системном подходе.
Системный подход широко используется для исследования экономических проблем [77,..., 79], решения задач управления сложными автоматическими устройствами [80,..., 82,], изучения возможных вариантов развития исторических и интеллектуальных процессов [83, 84] и т.п. Системный подход в решении задач оптимизации технологических процессов обработки металлов давлением применялся в работах Тетерина Г.П. [85]. Значительный вклад в развитие теории оптимизации внесли работы Аксенова Л.Б. в области системного проектирования процессов штамповки [86].
С точки зрения «внутренних» проблем предприятия технология формообразования трубы должна обеспечивать минимум издержек. Но в то же время изменчивость рыночной среды диктует необходимость гибкого подхода к проблеме издержек и качества. Существенной особенностью современного подхода к качеству является усиление роли потребителя при формировании требований к качественным характеристикам продукции. Для потребителя оптимальным является соотношение цена-качество [87]. Соотношение цена-качество выбираем в качестве целевой функции при выборе наилучшего метода формообразования заготовки гильзы кристаллизатора.
Анализ научно-технической и патентной литературы показал, что потребительские свойства гильз кристаллизаторов предопределяют следующие физико-механические свойства трубы-заготовки: Ni - циклическая долговечность; N2 - циклическая термическая долговечность; as - предел текучести; сів - предел прочности; поверхностного слоя; р - плотность материала.
Выбор предпочтительного варианта технологического процесса объемного формообразования трубы выполняем по комплексному критерию качества, построенному на основании частных критериев, характеризующих физико-механические свойства трубы. Формальным решением многокритериальной задачи является множество Парето, в котором на основе компромисса ищется оптимальное решение [86, 88].
Циклическая и циклическая термическая долговечности зависят от пластических свойств металла и являются не столько техническими сколько экономическими показателями качества. Поэтому данные критерии считаем не основными и в расчете не используем. Диапазон изменения основных критериев в номинальном и нормированном видах представлен в табл. 2.2.1.
Зависимости основных критериев от методов объемного формообразования медных труб представлены в табл. 2.2.2. Значения критериев показаны в номинальном виде.
Критерии F\ , ... , F6 , характеризующие качество медной трубы заменим комплексным критерием качества:где Х]с - весовые коэффициенты.
Весовые коэффициенты Лк определяем следующим образом. Эксперты установили связь между критериями и предложили граф связности критериев, показанный на рис 2.2.1. Сравним критерии F2 и F5 : Комплексный критерий качества изделия представляет собой функцию :
Выделим эффективные варианты объемного формообразования медных труб методом Парето. Для этого вычислим показатели комплексного критерия качества изделия, соответствующие каждому способу формообразования:
Представим результаты вычислений на графике с координатами комплексный критерий качества Y цена F7. График представлен на рис. 2.2.2. Анализ графика показал, что эффективными являются три варианта: 1 -литье, 3 - волочение, 5 - ковка. Определим вариант с наилучшими показателями качества на единицу стоимости:
Таким образом, наилучшим методом формообразования трубы-заготовки для гильз кристаллизаторов по соотношению цена-качество является ковка. Процесс ковки положим в основу разрабатываемой технологии изготовления медных гильз кристаллизаторов.1. Разработана классификация процессов объемного формообразования медных труб и методика оценки рациональности их применения методами системного анализа.2. Установлено, что наилучшим методом формообразования трубы-заготовки для медных гильз кристаллизаторов по соотношению цена-качество является ковка.
Схема вытяжки трубы ковкой на оправке показана на рис. 2.1.6. Заготовка I устанавливается на оправку 1 и нижний боек 4. Верхний боек 3 производит ударное воздействие на заготовку, которая процессе обработки перемещается і осевом направлении.
На основании анализа процесса вытяжки трубы ковкой можно сделать шедующие выводы: нагружение заготовки и инструмента носит локальный характер; процесс формирования трубы является немонотонным; зона сонтакта заготовки и инструмента постоянно изменяет свое положение и [юрму; приращения деформации в каждый момент времени являются малыми, [то позволяет строить математическую модель на основе деформационной еории пластичности [89, 90, 91].
Схема задания граничных условий для расчета напряженного и сформированного состояний заготовки, соответствующая кинематике гроцесса, представлена на рис. 3.1.1. На свободных поверхностях, где нет юнтакта заготовки с бойками и оправкой, нулевые силовые условияїредставленьї в виде сил, действующих по нормали к поверхности: {Р}=0. На юнтактных поверхностях приняты кинематические условия: перемещения в іаправлении оси z, а в двух других направлениях - проекции вектора силрения Rj на оси х (RJX )иу С&гу ) Значения проекциям RTX и Rjy в первомгриближении задаются на основании априорной информации.
Величины перемещений являются функциями координат точек 1/} Ах У 2) Вид функций зависит от геометрии бойков. Опорные юверхности принимаются абсолютно жесткими. Задачу решаем методом
Граничные условия и результаты вычислений
Исследуемый процесс ковки трубы на оправке представляет собой задачу юнтакта трех тел: бойка, заготовки и оправки. Боек и заготовка теремещаются, оправка неподвижна. Инструмент считаем абсолютно кестким.
Точность получаемого решения и эффективность использования машинного времени, при численной реализации метода конечных элементов, ю многом зависит от характера разбивки исследуемой области. Наиболее їффективньїм является автоматический способ разбивки с помощью ліециального комплекса программ.
В результате реализации программы разбивки сформированы массивы соординат узлов глобальной сетки и связи номеров узлов с номерами шементов. Нумерация узлов выполнялась из условия обеспечения минимальной разности между номерами, принадлежащими одному и тому же шементу, что позволило сформировать глобальную матрицу жесткости генточного типа с минимальной шириной ленты.
Разбиение исследуемой области заготовки на треугольные призмы и ;хема задания граничных условий показаны на рис. 3.1.1. Схема разложения реугольной призмы на симплекс-элементы в форме тетраэдра представлено щрис.3.3.1.
В граничных узлах симплекс-элемента в направлении оси z задаем іеремещения . В двух других направлениях - проекции вектора сил трения т на оси х (RTX ) и у (RTy ). Значения проекциям Ята и R . в первом іриближении даем на основании априорной информации. После первой ггерации расчета определяем величину несовпадения направления векторов т } и {/}. Корректируем соотношение проекций Rrx и Rjy и повторяем отчисление величины несовпадения направлений данных векторов. Процесс ггерации повторяется до тех пор пока векторы {Rr } и {/} не станут голлинеарны. Результатом решения является вектор узловых перемещений {/}, начения которых используются для определения компонент тензора (еформаций у в каждом элементе, умножением вектора {/} на матрицу [В]. 1а основании выражения (3.2.5) по величинам деформаций вычисляются іапряжения. Определяющими факторами при вытяжке труб на оправке являются [юрма и размеры бойков. Схемы нагружения заготовки при обработке ромбическими и іьірезньїми бойками показаны на рис. 3.3.2. Распределения приращений (еформаций и напряжений в заготовке представлены на рис. 3.3.3,... , 3.3.6. На основании анализа напряженного и деформированного состояний аготовки в схеме формообразования вырезными бойками можно сделать ледующие выводы. При углах а менее 40 происходит обратное (ыдавливаниё металла в радиальном направлении и в заготовке образуются тлубления. В диапазоне углов 50 ... 150 затруднено перемещение металла в ангенциальном направлении вследствие значительной величины силы трения і металл течет преимущественноч)севом направлении. При углах более 150 бразуется облой. Величина облоя в направлении оси Y пропорциональна углу t. Эффективным диапазоном угла а охвата вырезных бойков является ;0...150. При использовании схемы обработки ромбическими бойками в аготовке в области точек А, Б, В, Г (рис. 3.3.2а) образуются зоны, где в орцевой плоскости YZ металл течет в нескольких направлениях. В результате атрудняется течение металла в осевом X направлении. В зонах раздела ечения металла возможно образование трещин и других дефектов. ГГГ Г/R Таким образом, наиболее перспективной для вытяжки ковкой на оправке ледных труб является схема ковки вырезными бойками. Величина максимально возможного удлинения трубы в процессе ковки щениваласъ на основании оценки ресурса пластичности по методике Солмогорова В.Л., в соответствии с которой степень использования ресурса шастичности определяется по формуле [102]:где к - степень деформации сдвига, накопленная материальной частицей в процессе деформирования; Хр - степень деформации сдвига, соответствующая моменту разрушения. Формула (3.3.1) преобразовывается к виду [102]: где ХІ - степень деформации сдвига на каждом і-ом этапе. Зависимости степени деформации сдвига ХР от показателя напряженного состояния П, для исследуемых материалов, представлены в главе 4.2. "Іоказатель напряженного состояния П равняется [102]:чде Tt - интенсивность касательных напряжений, Г/ = -U, &і - интенсивность напряжений; и - гидростатическое давление, а = (ах + оу + jz )/3. Анализ напряженного и деформированного состояния кованных труб и юсуреа пластичности материала показал, что наибольшая допустимая величина осевой деформация г , при которой в трубе не возникают дефекты, )беспечивается при соотношениях между углом а охвата бойка и наружным о діаметром D0 заготовки, показанных в виде AS бойка 1.М1Р; 2.М-ЭЛП; 3. МС. трубы ковкой на оправке Усилие пресса, необходимое для вытяжки трубы ковкой на оправке, южет быть определено по формуле [109]: Р = % 8 (1 + 0,17) Т- erg U AS, И, (3.4.1) где X - коэффициент, зависящий от формы бойка, % = 1 для вырезного бойка; 8 - масштабный коэффициент, $ = 0,8 для массы слитка менее 500 кг; Us - предел текучести металла заготовки, [МПа]; йст - толщина стенки заготовки, [мм]; LQ - ширина заготовки, [мм]; AS— подача бойка, [мм]. Зависимость усилия пресса Р при вытяжке ковкой трубы от подачи юйка AS приведена на рис. 3.4.1. 1. Процесс вытяжки трубы ковкой на оправке является немонотонным; нагружение заготовки и инструмента носит локальный характер; зона контакта заготовки и инструмента постоянно изменяет свое положение и форму; приращения деформации в каждый момент времени являются малыми, что позволяет строить математическую модель на основе деформационной теории пластичности. 2. Установлено, что эффективным диапазоном угла а охвата вырезных бойков является а=50...150. При углах а менее 40 происходит обратное выдавливание металла в радиальном направлении и в
Физико-механические свойства кованых медных труб-заготовок гильз кристаллизаторов
Конкурентоспособность гильз кристаллизатора (ПС) определяется указателями качества, совокупность которых позволяет оценить ономическую эффективность их эксплуатации. Параметрами, растеризующими эксплуатационные свойства гильз кристаллизатора, ляются: геометрические параметры поверхности рабочего слоя ГК; химический состав материала ГК; физико-механические свойства материала ГК; химический состав корочки слитка; физико-механические свойства корочки слитка; условия на границе контакта рабочий слой ГК-корочка слитка, включающие тип смазки и т.д.
Данная группа критериев определяет потребительские свойства гильз исталлизаторов, то есть экономическую эффективность при их эксплуатации.
Как отмечалось в главе 2, анализ литературы и экспертные оценки ециалистов показали, что потребительские свойства ГК при рабочих чпературах Т=290...670 К предопределяют следующие физико-механические эйства медной трубы-заготовки:- предел пластичности;- предел прочности;- относительное сужение; - относительное удлинение;В - твердость поверхностного слоя;- плотность материала.
На физико-механические свойства меди оказывают влияние в различной епени химический состав, состояние (литое, деформированное, отожженное), юсоб получения полуфабриката (прокатка, прессование, ковка, волочение), мпература испытания, степень и скорость пластической деформации.
Для определения физико-механических свойств кованых труб-заготовок льз кристаллизаторов проведена серия испытаний на образцах с различной епенъю пластической деформации, вырезанных в продольном и поперечном правлениях из труб-заготовок (рис. 4.1.1). Методы испытаний применялись в ответствии с ГОСТ 9651-84 и ГОСТ 1497-84. Исследования выполнены на пытательной машине ИМ12-А [101], снабженной муфельной печью для грева образцов и системой регулирования температуры.
Машина ИМ-12А рассчитана на максимальное разрывное усиление в 120 I. По конструкции машина ИМ-12А относится к типу испытательных машин механическим нагружением образца и механическим силоизмерителем. шытания проводились в диапазоне 293...700 К. Время нагрева до заданной мпературы и выдержку выбирали из условия равномерности распределения ушературы по длине образца и минимальной длительности испытаний, щая продолжительность нагрева не превышала 60 мин. Время выдержки при данной температуре составляло 20 мин. Температуру образца регистрировали омель-алюмелевой термопарой (диаметр проволоки 0,2), закрепленной в нтре рабочей части образца и регулируемым потенциометром КСПЗ-П. едел измерения от 220 К до 1270 К. Температуру регулировали с точностью К.
Образец крепили в захватах испытательной машины при помощи пинительных тяг, что обеспечивало его надежную центровку. Скорость ремещения передвижного захвата в процессе испытаний была постоянной и л-авляла 5х10"5м/с. На диаграммном записывающем устройстве
производился процесс испытания в виде кривой, расположенной в системе ординат «нагрузка - деформация». Масштабы записи по оси деформаций іходились в диапазоне 1,0 мм ... 0,1 Нм. На основании испытаний определяли ловный предел текучести, предел прочности, относительное удлинение и носительное сужение после разрыва.
Результаты испытаний представлены на рис. 4.2.1,... , 4.2.4.Пластичность материала предопределяет износостойкость и усталостную ючность гильз кристаллизаторов. Пластичность металла характеризуется носительным удлинением и относительным сужением. В качестве «прольной характеристики допускается использовать число твердости НВ по шнелю. Недостаток данной характеристики в том, что число твердости не зволяет достаточно точно определить степень деформации сдвига, ответствующую разрушению металла [97].В качестве локальной характеристики пластичности Колмогоров В.Л.едложил два показателя: напряженного состояния П и Лоде \хс , которые ічисляются по формулам [102]:
Показатель Лоде не зависит ни от формы шейки образца, ни от давления и гается неизменным в процессе испытания. Оценка деформируемости материала основана на сопоставлениитенсивности деформации S/ , которую частица претерпела в процессе зрмоизменения, с критической интенсивностью деформации Ер , (едсказанной по диаграмме пластичности [102]. При построении диаграммы пластичности основными требованиями, едъявляемыми к испытаниям образцов, являлись постоянство напряженного стояния, сохранение монотонности деформации в течение всего опыта, ісокая точность определения параметров напряженного и деформированного стояния в месте разрушения, удобство реализации испытания под высоким дростатическим давлением. Диаграмму пластичности медных образцов строили на основании япытания цилиндрических образцов на растяжение и сжатие. Степень деформации сдвига %р при растяжении, соответствующую шенту разрушения, определяли по формуле [103]: ,е do исходный диаметр образца, dp — диаметр образца в момент разрушения. Показатель напряженного состояния П при растяжении вычисляли по висимости [103]: где Ро и Р\ - сила растяжения в начальный и конечный момент формирования образца. Значения П и Хр при сжатии цилиндрических образцов определяли по мограмме рис. 6 [103]. Диаграммы пластичности меди М-ЭЛП при температуре Т от 290 К до 980 приведены нарис. 4.2.5. Химический состав материалов, используемых в экспериментах, іедставлен в следующем разделе. При определении химического состава материалов использовался метод [ектрального анализа металлических стандартных образцов с угоэлектрической регистрацией спектра по ГОСТ 9717.0-75, ... , ГОСТ 17.3-75. В эксперименте применялся микрофотоэлектрический спектрограф МФС-8 04]. Принцип действия спектрографа МФС-8 основан на последовательном анировании и регистрации спектра с помощью спектрометра, на приемник торого попадает излучение всего спектрального диапазона. Сигналы іеобразуются и расшифровываются таким образом, что информация ступает о каждом отдельном участке спектра. Поэтому, спектр гистрируется во всем диапазоне [105]. Исследуемый образец устанавливался в камеру разряда с графитовым ютивоэлектродом. При включении генератора высокого напряжения между ектродами возникал дуговой разряд. Световой луч с помощью полихроматора злагался в спектр с выделением аналитических линий определяемых ементов, которые попадали на соответствующий фотоуменынитель. Световой гнал преобразовывался в электрический сигнал и выводился на экран сплея. Каждый элемент примеси имеет свою точность измерения. Погрешность ределялась как разность между значениями исследуемого образца и чностью измерения. Химический состав медных заготовок для гильз кристаллизаторов показан абл. 4.3.1.
