Введение к работе
Актуальность проблемы. В' настоящее время важнейшей проблемой в машиностроении является разработка энерго- и ресурсосберегающих технологии, создание малоотходных технологий при получении профильных и полых заготовок с обеспечением требуемых служебных свойств изделий на основании использования достижений науки її техники в области активных воздействий на жидкий и кристаллизирующийся металл.
В нашей стране и за рубежом получение профильных заготовок осуществляется путем прокатки предварительно полученных непрерышюлигах слитков или слитков отлитых в изложницы. При этом металл подвергают дополнительному нагреву и обжиму в толстолистовом цехе с последующим нагревом и прокаткой профилей по втором цехе. Из существующей последовательности технологических операций возникает необходимость наличия нескольких цехов с соответствующим оборудованием, на которые полуфабрикаты необходимо доставлять и складировать, выполнять дополнительные операции погрузки-разгрузки. Кроме этого, получение нспрсрывнодитых слитков осуществляется на установках вертикальных, радиальных или криволинейного типа, которые имеют ограничения по скорости разливки н производительности за счет наличия зоны вторичного охлаждения, достигающей в длину при разливке стали десятки метров.
Дополнительно к этому, получение полых заготовок из сплошных осуществляется на автоматических станках в результате их прошивки. При этом отлитые слитки подвергаются дополнительным трудоемким операциям - обжиму, ковке, сверлению отверстий и прошивке. В результате расходы по переделу металла составляют более 20%.
Применение на практике способов непосредственного получения сплошных профильных и полых заготовок связано с необходимостью разработки специальной установки, способоя и устройств для непрерывной разливки металлов.
Направление воздействия на формирование структуры заготовок, заключающееся в разрушении фронта кристаллизации при непрерывной разливке металлов, до настоящего времени не развито и не исследовано. Отсутствие исследований о влиянии разрушения фронта кристаллизации на качество получаемых заготовок объясняется невозможностью реализовать на практике совместный процесс непрерывной разливки и деформации металла.
Кроме этого, на стадии проектирования установки для разливки с деформацией металла возникает необходимость определения давления на стенки и выбор диаметра приводных валов при различных углах поворота эксцентрика. Дтя решения этих вопросов необходима разработка математической модели протекающих процессов.
Цель работы. Исследование и разработка процессов и устройств при производстве неирерывнолитых заготовок в условиях наложения непрерывной деформации на жидкий и кристаллизирующийся металл. Поиск управления качеством, выходом годного н размерно-геометрической точности непрерывных
деформированных заготовок.
Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:
разработка математической модели процесса кристаллизации и деформации металла на литейно-ковочном модуле для определения давлений на рабочие стенки при проектировании установки;
создание экспериментальной установки и отработка на ней основных режимных и технолого-конструктивиых параметров разливки металлов и сплавов, формирования заготовки, сопровождающегося разрушением фронта кристаллизации;
создание гидродинамической модели кристаллизатора и установление рациональных способов подвода в нес расплава;
разработка способов непрерывной разливки металлов с целью получения полых, профильных и армированных заготовок;
выработка рекомендаций по снижению уровня дефектности в заготовках из труднодеформированных металлов и сплавов;
изготовление опытно-промышленной установки и апробирование разработанных технологических процессов.
Методы исследования. Дтя решения перечисленных выше задач применяются методы теории упругопластических деформаций, теории подобия и теплопередачи, численные методы решения уравнений пластического течения и теплопроводности.
Научная новизна работы. Экспериментально изучены процессы формирования непрерывнолнтой деформированной заготовки.
Разработаны способы получения пепрсрывнолитых деформированных сплошных и полых заготовок с различным профилем поверхностей.
Разработана математическая модель процессов кристаллизации и деформации металла в кристаллизаторе, позволяющая для заданной толщины заготовки при изменении частоты вращения приводных валов и угла поворота определять напряжения в корочке и даатешія па рабочие поверхности стенок.
Экспериментально изучена гидродинамика расплава в кристаллизаторе с наклонными и вертикальными поверхностями стенок.
Исследованы пути управления качеством непрерывных заготовок через расширение пределов регулирования тепловыми режимами.
Обоснованы и предложены конструктивные разновидности устройств, используемых при получении деформированных заготовок.
Установлены оптимальные параметры разливки металлов и сплавов, обеспечивающие получение качественной поверхности и внутренней структуры заготовок.
Экспериментально изучен теплообмен в кристаллизаторе при непрерывной разливке с деформацией металлов и сплавов.
Практическая ценность работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований непрерывной разливки металлов и сплавов с деформацией корочки в кристаллизаторе позволили разработать опытно-
промышленную установку и предложить к промышленному освоению технологически її конструктивно обоснованные способы получения полых, армированных заготовок, а также заготовок из распиливаемого расплава.
Разработаны и предложены рациональные технологические к конструктивные параметры кристаллизатора и установки ліпейно-ковочного модуля (ЛКМ).
Приведены расчетные зависимости для определения степени деформации заготовки от конструктивных параметров кристаллизатора и параметров режимов разливки.
Реализация результатов работы. На основании полученных результатов при выполнении научно-исследовательской работы на опытно-промышленной установке литенно-ковочного модуля (ЛКМ-2), изготовленной в ИМиМ ДВО РАН, запроектирована и принята к внедрению более мощная установка ЛКМ-3 на Серовском металлургическом заводе, предназначенная для получения стальных стержней из марганцовистой стали. Составлен акт о принятии к внедрению промышленной установки ЛКМ-3.
Представленный в работе цикл исследований был выполнен в рамках включенных в Государственную программу фундаментальных исследований РАН тем:
«Исследование процесса деформации корочки на лгпейно-ковочном модуле (ЛКМ). Оптимизация параметров и совершенствование конструкции ЛКМ». Комсомольск-на-Амуре, 1992-1996гг„ 1997-2001гг.
Исследования в рамках хоздоговорной темы:
«Разработка проекта опытно-промышленной, экспериментальной з'становки лнтешю-ковочного модуля». Комсомольск-на-Амуре. ИМиМ ДВО РАН, 1997г.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Сибконверс» (Томск, 1995,2 доклада), на научно-технических конференциях Института машиноведения и металлургии ДВО РАН (Комсомольск-на-Амуре, І994-І997), на Международной научно-технической конференции «Проблемы механики сплошной среды» (Комсомольск-на-Амуре, 1997, 2 доклада), в докладах «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 1998), на научно-технической конференции «Молодежь н научно-технический прогресс» (Владивосток, 1998, 2 доклада).
Структура и объем работы.