Введение к работе
Актуальность темы Стремление к совмещению разливки стали с прокаткой в непрерывный сквозной технологический процесс привело к созданию промышленной технологии: тонкий широкий непрерывнолитой слиток - прокат. Фирма Маннесман-Демаг при этом совместила процесс кристаллизации с обжатием слитка роликами в зоне вторичного охлаждения после кристаллиззатора - ISP technology. В зависимости от годовой производи-тельности литейно-прокатиых агрегатов (ЛПА), реализующих эти технологии, совмещение литья с прокаткой требует определенной (не обязательно минимально возможной) толщины слитка, формируемого в кристаллизаторе. Поэтому принятие решения об использовании ЛПА в России требует конкретной технологической проработки, что делает теоретический анализ термомеханики стальной полосы в совмещенной процессе актуальным.
В теоретическом плане проявилась актуальность проблемы деформации стального тела в твердо-жидком состоянии, связанной с катастрофическим падением прочности вблизи температуры солидуса и недостатком экспериментальных данных для применения традиционных критериев разрушения. Потребность в локальных характеристиках теплового и напряженно-деформированного состояния металла приводит к необходимости трехмерного анализа термомеханики слитка, многопереходность процесса к вопросу расчета растуще-убывающего тела, а множество параметров оптимизации, как дискретных, так и непрерывных, к разработке алгоритма решения задачи оптимизации совмещенного процесса.
Разработка эффективных численных методов решения задач
термоупругопластичтгости позволила сделать существенный шаг в решении задач МДТТ. Большой вклад здесь внесли работы Р.А.Васина, С.Д.Волкова, В.А.Елтышева, А.А.Ильюпшна, А.С.Кравчука, Н.Н.Малинина, Ю.И.Няшина, Б.Е.Победри, А.А.Поздеева, Ю.В.Соколэшна, АНСкороходова, П.В.Трусова, И.Е.Трояновского, Р.Хилла и других отечественных и зарубежных авторов.
Деформация твердой корочки слитка исследована в работах ФБоэля, В.В.Бринзы, М.Я.Кровмана, В.Л.Данилова, М.А.Левина, В.И.Лебедева, Л.Поршата, Ф.-П.Плешиучника, ХПрассера, А.П.Коротаевского, О.А.Удовика, И.Н.Шифрина, Г.Ю Эренберга и других авторов.
Прочности металла посвящены работы С.П.Губкина, Н.Н.Давиденкова, Г.Д.Деля, В.АОгородникова, В.А.Скуднова, Г.А.Смирнова-Аляева, Л.Д.Соколова, Л.Г.Степанского, Л.Б.Фидмана, разрушению стали вблизи солидуса работы АА.Бочвара, С.П.Кротова, Г.Н.Мигачевой, В.АЧичигина и др. В развитие кинетической теории разрушения внесли вклад работы А.А.Богатова, А.А.Ильюшина, ЛМ.Качанова, В.В.Новожилова, В.Л.Колмогорова, Ю.Н.Работнова, О.В.Сосшша и других авторов.
Затвердевание непрерывнолитого слитка рассмотрено в работах В.И.Асколъдова, В.Т.Борисова, Г.Дюво, Д.П.Евтеева, В.С.Ругеса, Ю.А.Самойловича, А.И.Цаплина и других авторов.
Механике растуще-убывающего твердого тела посвящены работы Н.Х.Арутюняна, В.К.Тринчера, Р.А.Турусова, В.В.Метлова, Э.И.Рашбы и др.
Среди большого числа исследований, посвященных решению задач оптимизации, следует отметить работы Ю.П.Адлера, Ю.В.Грановского, Н.Н.Красовского, В.Г.Литвинова, Ж.-Л.Лионса, К.А.Лурье, Е.В.Маркова, Н.Н.Моисеева, В.Д.Ногина, В.В.Подиновского и других авторов.
Целью настоящей работы является исследование проблемы деформации стального тела в твердо-жидком состоянии, корректная постановка задачи термомеханики стальной полосы в совмещенном многопереходном процессе деформации, постановка задачи
оптимизации затвердевания и деформирования в твердо-жидком и затвердевшем состоянии тонкого широкого непрерывно-литого стального слитка в условиях многопереходности процесса деформации, создание надежных алгоритмов, методик и комплекса программ для реализации поставленных задач.
Научная новизна работы заключается в разработке комплексного подхода к теоретическому анализу деформирования стального тела в твердо-жидком и затвердевшем состоянии, включающего затвердевание и температурный режим, напряженно-деформированное состояние (НДС) и прочность затвердевшего металла.
Предложен новый подход к сравнению роста поврежденности металла в кинетических уравнениях В.Л.Колмогорова, А.АБогатова и Л.М.Качанова при постоянных условиях на этапе нагружения. Получено новое аналитическое решение задачи разрушения при изгибе и разгибе стальной полосы в твердо-жидком и затвердевшем состоянии, что позволяет определить наименьший радиус изгиба и разгиба в зоне вторичного охлаждения непрерывнолитого слитка. Предложен способ определения констант металла в уравнениях Л.М Качанова н Нортона-Хоффа при сложном напряженном состоянии по известным зависимостям сопротивления деформации от скорости деформации в высокотемпературном интервале хрупкости (ТИХ).
Впервые для совмещенного процесса обоснованы определяющие соотношения теории нелинейно-вязкого течения для металла в пластическом состоянии по теории А.А.Ильюшина и В.С.Ленского. Предложена единая форма определяющих соотношений для стали в твердом, жидком и двухфазном состоянии, позволившая реализовать единую для твердо-жидкого тела вариационную аналогию краевой задачи о напряженно-деформированном состоянии методом конечных элементов.
Впервые представлена и реализована трехмерная постановка связанной краевой задачи термовязкоупругопластичности и повреждаемости при дефор-мировании растуще-убывающего тела в твердо-жидком и затвердевшем состоянии с граничными условиями интегрального типа и с ограничениями типа равенств и неравенств, представляющими собой условия для границ раздела фаз и областей. Предложены варианты итерационных процедур для линеаризации геометрической и физической нелинейностей поставленной краевой задачи.
Исследовано движение плоской затопленной струи металла, подаваемого в кристаллизатор, до и после соударения с затвердевшей корочкой. Получено аналитическое решение по пристенному барботажу на мениске расплава в кристаллизаторе и по динамическому давлению струи на затвердевшую корочку слитка. Получено новое решение о напряженно-деформированном состоянии корочки слитка в кристаллизаторе переменного сечения с учетом динамической и статической составляющих давления расплава металла.
Исследовано затвердевание слитка в совмещенном процессе, температурный режим от кристаллизатора до рулона со стальным листом, НДС в корочке слитка в кристаллизаторе и НДС в твердой и жидкой фазах от зоны вторичного состояния (ЗВО) до зоны охлаждения перед смоткой в рулон, найдены области разрушения в твердо-жидком и твердом состоянии.
Впервые поставлена и решена задача оптимизации структуры и параметров совмещенного процесса. В качестве целевой функции взята сумма штрафных функций "жесткого" типа по ограничениям технологического плана (2-го уровня). Для сформированного портфеля заказов получены рациональные значения порядка 150 дискретных и непрерывных параметров ЛПА данного типа и произведена проверка ограничений на глобальные параметры ЛПА (1-го уровня).
Достоверность основных научных положений и полученных результатов подтверждается удовлетворительным соответствием результатов, полученных при решении задач с использованием рассмотренных в работе методов, с решениями других авторов,
результатами проведенного натурного исследования и известными экспериментальными данными.
Практическая ценность работы определяется разработкой эффективных алгоритмов решения задач термомеханики совмещенного процесса, оформленных в виде пакета прикладных программ "ЙПА. Версия 3.1", позволяющего в зависимости от портфеля заказов на горячекатаный стальной лист формировать оптимальную структуру и параметры литейно-прокатного' агрегата, которые удовлетворяют ограничениям как технологического, так и глобального плана. Результаты исследования нашли применение в учебном процессе в Пермском государственном техническом университете, в учебном пособии ЦНИИТЭстроймаш (г.Москва) и в ООО "БелКам", дочернем предприятии АО "Мотовилихинские заводы" (г.Пермь).
На защиту выносятся совокупность теоретических разработок, состоящих из новых постановок задач и методов их решения, которую можно квалифицировать как основу для решения проблемы деформирования стального тела в твердо-жидком и затвердевшем состоянии, а также решение задачи выбора рациональных структуры и параметров варианта совмещенного многопереходного процесса деформации стальной полосы.
Апробация работы. Основные положения и: результаты работы докладывались на 10 Всесоюзной конференции "Новые методы расчета элементов конструкций на прочность" (г. Свердловск, 1975 г.), на 7 Всесоюзной конференции по применению ЭВМ в МДТТ (г. Ташкент, 1975 г.), на Межотраслевой НТК "Математическое моделирование и гибридная вычислительная техника" (г. Куйбышев, 1977 г.), на Уральской зональной конференции молодых ученых я специалистов "Механика сплошных сред" (г. Пермь, 1980 г.), на Всесоюзной школе-симпозиуме по МДТТ (г. Куйбышев, 1980 г.), на 8 Всесоюзной конференций по прочности и пластичности (г. Пермь, 1983 г.), на 3 Всесоюзном симпозиуме "Теория механической переработки полимерных материалов" (г. Пермь, 1985 г.), .), на Всесоюзной школе-семинаре "Математическое моделирование в науке и технике" (г. Пермь, 1986 г.), на Всесоюзной конференции "Деформация металла в многовалковых калибрах" (г. Магнитогорск, 1987 г.), на Всероссийской конференции "Математическое моделирование технологических процессов обработки металлов" (г. Пермь, 1987 г.), на 7 Всесоюзной конференции "Теплофизика технологических процессов" (г. Тольятти, 1988 г.), на Всероссийской конференции "Математическое моделирование технологических процессов обработки металлов" (г. Пермь, 1990 г.), на 3 Всесоюзной конференции "Механика неоднородных структур" (г. Львов, 1991 г.), на 4 Всесоюзном симпозиуме "Технологические остаточные напряжения" (г. Пермь, 1992 г.), на Ярмарке-семинаре "Модели, алгоритмы и программное обеспечение для САПР я АСУ процессов ОМД на предприятиях черной металлургии" (г. Челябинск, 1992 г.), на 3 НТК "Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов" (г. Пермь, 1992 г.), на Международной конференции "Математическое моделирование процессов обработки материалов" (г. Пермь, 1994 г).
Диссертационная работа в целом обсуждалась на научных семинарах Пермского государственного технического университета и Института машиноведения УрО РАН.
Публикации. Диссертантом по теме диссертации опубликованы монография, учебное пособие, 35 научных статей и тезисов докладов. Список основных публикаций, содержащий 20 наименований, приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 57 рисунков. В приложении приведены справки об использовании результатов, подтверждающие практическую ценность работы. Объем диссертации составляет 324 страницы.