Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы 12
1.1 Высокоскоростные железнодорожные магистрали мира 12
1.2 Современные технические требования, предъявляемые к контактным проводам 14
1.3 Способы и технологии получения контактных проводов 17
1.4 Современные направления развития методов пластической обработки с целью совершенствования физико-механических свойств проводниковых материалов 26
Выводы к первой главе, постановка целей и задач исследования 40
Глава 2. Разработка принципиальной схемы процесса получения наноструктурированного контактного провода с повышенным комплексом физико-механических свойств и методики исследований 42
2.1 Разработка методики научно-практических работ 43
2.2 Научно-обоснованный подход к созданию наноструктурированного контактного провода 52
Выводы ко второй главе 59
Глава 3. Исследование разрабатываемой технологии методом конечно-элементного компьютерного моделирования 61
3.1 Математический анализ процесса радиального обжатия в первом блоке 62
3.2 Математический анализ процесса радиального обжатия во втором блоке 82
3.3 Математический анализ процесса РКУП-«Конформ» с выдавливанием 94
Выводы к третьей главе 106
Глава 4. Физический эксперимент 108
4.1 Описание физического эксперимента 108
4.2 Пластическая обработка заготовки методом ковки 110
4.3 Пластическая обработка заготовки методом РКУП с выдавливанием 112
4.4 Термическая обработка полученных образцов контактного провода 114
4.5 Исследование структуры полученных лабораторных образцов контактного провода 114
4.6 Физико – механические и эксплуатационные свойства полученных образцов контактного провода 119
4.7 Укрупненная оценка снижения затрат от использования новой схемы 122
4.9 Рекомендации по использованию полученных результатов 124
Выводы к четвертой главе 126
Заключение 128
Список сокращений и условных обозначений 132
Список литературы 133
Приложение 148
- Способы и технологии получения контактных проводов
- Научно-обоснованный подход к созданию наноструктурированного контактного провода
- Математический анализ процесса РКУП-«Конформ» с выдавливанием
- Физико – механические и эксплуатационные свойства полученных образцов контактного провода
Способы и технологии получения контактных проводов
Одной из первых технологий получения медных контактных проводов была послитковая прокатка медной катанки с последующим соединением прокатанных кусков пайкой. Слитки меди массой порядка 100 кг нагревали в методических газовых печах до температуры T = 850-900 C и прокатывали на проволочно-петлевых станах за 8 проходов до диаметра 18 мм. Окалину, образующуюся в процессе обработки, удаляли травлением в растворе серной кислоты. Далее, используя серебряный припой, соединяли катанку (до 14-15 стыков) на требуемую строительную длину провода [3].
Следующим этапом развития производства медной катанки стало применение установок непрерывного литья, совмещаемого с горячей прокаткой (НЛП). Впервые производство таких линий было организовано итальянской фирмой «Continuus-Properzi». Причем изначально эти установки были предназначены для получения алюминиевой катанки, но с течением времени была освоена технология изготовления и медной катанки. Общая схема линий «Continuus-Properzi» показана на рисунке 2 [14].
Особенностью НЛП «Southwire» является возможность управления режимами охлаждения литой заготовки и раската, что позволяет получать катанку повышенного качества [3].
Развитие направления по повышению свойств контактных проводов идет также в плане совершенствования конструктивных исполнений, в частности создания биметаллического провода. Такой провод состоит из прочного сердечника, как правило стального, плакированного материалом с высокой электропроводностью. Сердечник выполняет силовую функцию, воспринимающего нагрузки от силы натяжения, тяжести провода, налипшего снега и ветровых нагрузок. Наружный слой медный или алюминиевый. Алюминий обладает меньшей массой и дешевле, но имеет худшие характеристики электропроводности, износо- и теплостойкости. Медь, в свою очередь, имеет лучшие характеристики, но является более дорогим материалом [15].
Большое количество технологий изготовления проводов такого типа было разработано и до сих пор разрабатывается в мире. Но, несмотря на преимущества, такое конструктивное исполнение провода затрудняет создание дешевых способов переработки изношенных проводов, что сдерживает их широкое использование.
Вследствие этого наметилась другая тенденция: улучшать эксплуатационные характеристики материала провода за счет деформационного упрочнения и легирования.
Согласно ГОСТ Р 55647-2013 российская номенклатура сплавов для проводов железных дорог делится на три группы: медь, низколегированная медь и бронза (условная группа Бр) [16].
Дальнейший анализ источников литературы позволил найти нижеследующую информацию касательно разработок и вариантов изготовления контактных проводов.
Российской фирмой «ФИНАО» [17-19] разработано и предложено несколько способов изготовления контактного провода из медного сплава с добавками различных легирующих элементов методом непрерывной разливки и прокатки. В результате получают катанку для изготовления контактного провода с высокими электромеханическими свойствами без термообработки. К особенностям следует отнести то, что провод имеет различные физико-механические свойства по высоте сечения: нижняя часть более прочная и твердая, верхняя часть обладает высокой электропроводимостью. Похожие технологии получения дисперсно-упрочненных медных сплавов предложены также в заявках и патентах c закалкой на стадии литья [20].
Известным специалистом в области создания и исследования технологий и свойств контактных проводов В.Я. Берентом разработано несколько способов совмещенного непрерывного литья и прокатки меди и ее сплавов [21]. Например, с целью обеспечения стабильно высоких свойств в получаемых проводах, а также исключения из технологии специальной термической обработки, технология включает легирование в восстановительной атмосфере, модифицирование расплава перед кристаллизатором, формирование непрерывнолитой заготовки трапециевидного сечения и последующую ее прокатку. Для обработки расплава используют изделия на основе порошковой спеченной меди. Отношение большего основания трапеции к ее высоте порядка 1,78-1,88. Заготовка снимается с кристаллизатора при температуре 625-670 C.
Еще одной разработкой является способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди [22]. В данном патенте рассматриваются варианты изготовления длинномерных изделий методом непрерывного литья с прокаткой. В первом варианте производится прокатка на катанку непрерывной заготовки из медных сплавов с содержанием магния 0,04-0,34 % или олова вместе с одним или несколькими элементами, имеющими большее сродство к кислороду, чем у олова, в суммарном количестве не более 0,12 %. Во втором варианте используется сплав на основе меди с содержанием магния 0,4-0,25 % и фосфора или железа 0,8-0,12 % и фосфора. В обоих случаях скорость охлаждения в кристаллизаторе более 15 С/с и прокатка завершается с температурой раската не выше 400 С. Технология подразумевает перестаривание катанки при 500-525 С в течение 1,0-1,5 ч. Профиль провода формируется на заключительной стадии (степень деформации 56-60 %). При этом достигается электропроводность 85-95 % от электропроводности чистой меди, а также повышаются механические свойства.
Существует способ изготовления бесстыковых контактных проводов, обеспечивающий требуемый комплекс эксплуатационных характеристик [23]. Приведенный подход отличается получением расплава металла в печи с инертной атмосферой. Данная печь включает в себя три зоны – плавления, легирования и выдачи готового металла. Далее из литой заготовки формируют профиль провода в два этапа пластической обработкой. В результате первого этапа методом волочения (величина деформации 15-50 %) получают круглый пруток. На втором этапе проводят обработку прутка с помощью прокатки со степенью геометрической деформации 50-70 %. В результате применения данных технологических решений на стадии литья исключается попадание в готовый провод малозаметных литейных дефектов. Вторым преимуществом применения данной технологии является повышение механических свойств изготавливаемого провода.
Довольно оригинальный способ получения контактного провода разработан ВНИИПКиТ кабельной промышленности совместно с ВНИИЖТ [24]. В способе предлагается непрерывное литье заготовки с последующей прокаткой и волочением. При этом в процессе литья в рабочую зону контактного провода вводят пруток-холодильник, обеспечивающий формирование мелкого зерна и лучшие показатели пластичности.
Фирмой «Mitsubishi materials corporation» (Япония) совместно с исследовательской организацией «Railway technical research institute» [25] разработана технология получения контактного провода с использованием методов непрерывного литья, закалки и старения. Медная основа содержит 0,1 до 1,0 % Cr, 0,01 до 0,3 % Zr, а также 0,001 до 0,05 % Si либо Mg. Плавку осуществляют с помощью восстановительного газа с содержанием кислорода не более 10 ppm. В результате литьем получаются слитки диаметром 250 мм и длиной 3 м, далее горячей прокаткой с последующей термической обработкой изготавливается проволока.
Также «Mitsubishi materials corporation» [26] применила термоупрочняемый сплав на основе меди, легированной хромом, цирконием, кремнием, фосфором при разработке технологии производства троллейного провода для высокоскоростных магистралей. Результаты подробного исследования такого сплава приведены в статье [11]. Согласно статье, исследователями достигнут предел прочности порядка 600 МПа при электропроводности 82 % IACS. Обработка сплава в этом случае включала закалку, холодную пластическую обработку с последующим старением.
Научно-обоснованный подход к созданию наноструктурированного контактного провода
Выбор материала для изготовления контактного провода. Сплав системы Cu-Cr является термически упрочняемым сплавом. После термомеханической обработки имеет хорошее сочетание физико-механических и эксплуатационных свойств [4] и подходит для изготовления изделий электротехнического назначения.
Данный сплав в отличие от других медных сплавов с высокой электропроводностью, таких как Cu-Ag, Cu-Sn, Cu-Cd, Cu-Mg, или жаростойких сплавов Cu-Zr, Cu-Hf обладает одновременно высокой прочностью, электропроводностью, термостабильностью. Кроме того, этот сплав технологичен и обладает меньшей стоимостью, в отличие от Cu-Ag, Cu-Zr и т.д.
Классическая термомеханическая обработка хромовых бронз включает в себя закалку, холодную пластическую деформацию и старение. Закалка необходима для фиксации пересыщенного твердого раствора. Пластическая деформация направлена на упрочнение материала за счет наклепа. На этапе старения происходит дополнительное дисперсионное упрочнение и восстановление электропроводности за счет распада пересыщенного твердого раствора [4].
Пластическая обработка. Известно, что для получения УМЗ и наноструктурного (НС) состояния металла необходимо сочетание высокой интенсивности (обеспечивает необходимое генерирование дислокаций и эволюцию дислокационной структуры) и существенной немонотонности деформации (активизацию новых систем скольжения решеточных дислокаций и их взаимодействие с образующимися при деформации малоугловыми границами фрагментов, что приводит к их перестройке в высокоугловые границы общего типа), при этом температура процесса деформирования не должна превышать температуры протекания процесса возврата [82]. В этой связи использование радиального обжатия с высокой степенью деформации и сменой осей приложения сил наиболее полно отвечает принципам ИПД, а использование РКУП-«Конформ» гарантирует реализацию схемы сдвига, которая по своей природе также немонотонная. Влияние этих факторов будет предметом проводимых исследований. Температурный диапазон деформации также очень важный фактор, особенно при обработке термически упрочняемых материалов: с одной стороны, необходимо повысить температуру для снижения сил деформирования, с другой, большие деформации ускоряют диффузионные процессы, распад твердого раствора и выделение упрочняющих частиц, поэтому требуется анализ протекания этих процессов непосредственно в ходе деформирования. Известно, что температура старения хромовой бронзы находится в диапазоне 450-500 C, и она является ограничивающим фактором в процессе обработки.
Термическая обработка контактного провода. Температура и время обработки были выбраны по проведенным нами исследованиям термостабильности хромовых бронз и литературных данных [95, 96]. Так, температура старения выбрана 450 C при времени выдержки в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе.
Обоснование состава оборудования технологической линии нового процесса. В современном производстве для изготовления контактных проводов в основном используются литейно-прокатные агрегаты (ЛПА). Технически, это непрерывные линии получения круглой катанки с использованием литейного агрегата непрерывной кристаллизации и последующей согласованной горячей прокатки в стане, имеющем до 15 клетей. В представленной работе этот технологический процесс трактуется как «традиционный» и используется для сравнительного анализа с новым разрабатываемым вариантом технологии получения контактного провода.
Литературный обзор показал, что существует несколько основных крупных производителей установок ЛПА. К ним относятся фирмы «Southwire» (США), «Continus-Properzi» (Италия) и «SMS-Group» (Германия), среди российских производителей таким предприятием является ВНИИМЕТМАШ [97]. Представленные этими фирмами технологические линии состоят из практически однотипного оборудования. Как правило, в состав ЛПА входят:
1) Плавильная печь – широко распространено применение газовых шахтных печей (например, «ASARCO», США);
2) Миксер и приемная ванна
3) Кристаллизатор – как правило, роторного типа;
4) Прокатный стан (например, «Mannesmann Demag Sack», Германия);
5) Система охлаждения и осветления катанки;
6) Сматывающее устройство. Наиболее распространенными являются ЛПА фирм «Southwire», «Continus-Properzi».
Далее из катанки с помощью операции волочения получают фасонный контактный провод. Линия волочения представляет собой технически сложный комплекс различного оборудования, необходимого для получения качественной продукции; существуют различные конфигурации данных производственных машин [98]:
7) Двойной тандемный горизонтальный волочильный блок тип 1000 (либо больше, сообразно диапазону проволоки). В первом блоке происходит первичное волочение проволоки, во втором блоке – шевингование. Возможно несколько проходов для получения окончательного сечения проволоки.
8) Тройной тандемный горизонтальный волочильный блок тип 1000. В данном волочильном блоке из шевингованной проволоки в один или несколько проходов получают контактный провод.
9) Четверной тандемный горизонтальный волочильный блок тип 1000. С помощью данной конфигурации из исходной шевингованной проволоки получают контактный провод окончательного сечения.
10) В линию волочения-шевингования входят устройства:
11) Размотки;
12) Смотки;
13) Подачи;
14) Выпрямления;
15) Направления проволоки.
Принципиальная схема традиционной линии изготовления контактного провода представлена на рисунке 15.
Математический анализ процесса РКУП-«Конформ» с выдавливанием
Описание метода РКУП-Конформ. Метод равноканального углового прессования был разработан известным советским ученым В.М. Сегалом с коллегами в 1970-х годах [57, 111]. Основная цель применения данного метода состоит в упрочнении заготовок пластической деформацией, без изменения поперечного сечения заготовки. Данная особенность обеспечивает возможность многократного деформирования заготовки до достижения высоких прочностных свойств.
Дальнейшее развитие данной технологии привело к появлению новых эффективных методов пластической обработки, основанных на сдвиговой деформации. В настоящее время наиболее эффективными и перспективными с точки зрения промышленного применения методами повышения свойств металлов являются РКУП-«Конформ», РКУП в параллельных каналах, Мульти-РКУП-«Конформ», позволяющие получать длинномерные полуфабрикаты (проволока, катанка, прутки) с УМЗ структурой. Эти методы имеют высокий коэффициент использования металла. [111-119].
В предлагаемой технологии используется метод РКУП-«Конформ» с применением фильеры для выдавливания готового контактного провода. Стоит отметить, что в отличие от других методов непрерывного прессования, основанных на использовании активных сил трения, способ РКУП-«Конформ» обладает достаточно простой кинематической схемой, имеет сравнительно высокую производительность, а также является технологичным методом за счет быстрой смены инструмента. Продукция, полученная непрерывным прессованием на установке «Конформ», имеет высокое качество и точность геометрических размеров, при этом практически отсутствует пресс-остаток [111, 114].
Процесс реализуется следующим образом (рисунок 42): заготовка 4 подается в прямоугольный канал образованный гравюрой вращающегося рабочего колеса 1, матрицей и неподвижным прижимом 3. Сила прессования обеспечивается в процессе вращения колеса 1 посредством возникающих активных сил трения между гравюрой колеса 1 и заготовкой 4, тем самым обеспечивается продвижение заготовки 4 через рабочий канал. Рабочий канал в выходной части матрицы имеет отверстие, формирующее заданный профиль контактного провода, что в совокупности с последующей термической обработкой обеспечивает выход готовой продукции без дополнительных операций смотки, размотки и др.
Условия и допущения, принятые при проведении компьютерного моделирования РКУП-Конформ с выдавливанием. При моделировании РКУП-«Конформ» была использована заготовка, полученная моделированием на предыдущем этапе, с целью получения данных при полном цикле пластической обработки.
Заготовка – пластичное тело. Размеры прямоугольного поперечного сечения исходной заготовки – 26х26 мм, длина – 400 мм. Поперечное сечение заготовки после обработки – профиль фасонного контактного провода для высокоскоростного железнодорожного транспорта с номинальной площадью 150 мм2 [16].
Модели заготовки и инструмента были созданы с помощью системы CAD – КОМПАС-3D и сохранены в формате «stl». Была сгенерирована сетка конечных элементов, состоящая из тетраэдров, количество которых составляло 50 000. Минимальный размер элемента – 1,9 мм, максимальный размер – 3,8 мм. Была активирована опция компенсации объема модели заготовки. Штамповый инструмент – абсолютно жесткое тело. Модели инструментов на конечно-элементную сетку не разбивали.
Угловая скорость вращения рабочего колеса, исходя из постоянства секундных объемов для согласования производительности оборудования выбрана постоянной и равна 1 рад/сек, что соответствует частоте вращения 10 об/мин.
Моделирование было выполнено для процесса деформации при комнатной температуре с учетом прироста температуры металла за счет теплового эффекта деформации. Коэффициент теплообмена штампового инструмента с заготовкой принимали равным 5 Н/сек/мм/C (5000 Вт/м2C). Температура инструмента при моделировании была постоянной и составляла 300 C.
В связи с тем, что проводили моделирование объемной схемы деформации с высокими контактными напряжениями, то был использован фактор трения по Зибелю. На основе предварительно проведенного эксперимента по определению коэффициента трения методом осадки колец, а также литературных данных [104] фактор трения принимали равным – f = 0,4 – между колесом и заготовкой, f = 0,2 – между заготовкой и остальными элементами оснастки. На контактных поверхностях оснастки задано условие непроницаемости.
Количество шагов моделирования составило 2000.
Анализ полученных данных. Исследование было проведено относительно следующих параметров: распределение накопленной деформации в поперечном и продольном сечениях заготовки, контактные напряжения, прирост температуры и максимальный крутящий момент на рабочем колесе.
На рисунке 43 представлена заготовка в процессе РКУП-«Конформ», совмещенного с выдавливанием контактного провода.
На рисунках 45-46 представлены поля распределения средних напряжений в продольном сечении заготовки, а также графики величин средних напряжений в центре заготовки (точки обозначены на рисунке). В обоих случаях в очаге деформации преобладают сжимающие напряжения, соответственно, схема нагружения «мягкая». В случае применения конусной матрицы максимальные средние напряжения достигают 1100 МПа (рисунок 45), тогда как при применении плоской матрицы максимальное значение порядка 900 МПа (рисунок 46).
На рисунках 47-48 представлены поля распределения температур в продольном сечении заготовки. Согласно анализу полученных данных, применение плоской матрицы (рисунок 47) ведет к сравнительно высокому разогреву заготовки в процессе пластической обработки. Так, максимальная температура в центральной области заготовки после выдавливания достигает 580 C. В периферийной области плоской матрицы наблюдается разогрев до 650-700 C.
В случае применения конусной матрицы разогрев менее интенсивный (рисунок 48). При этом температура заготовки после выдавливания достигает 400-450 C, хотя в периферийных областях очага деформации уровень значений температуры достигает 500-550 C. Полученные результаты свидетельствуют о более высокой тепловой нагрузке на оснастку при использовании плоской матрицы.
Физико – механические и эксплуатационные свойства полученных образцов контактного провода
В таблице 10 представлены физико-механические свойства образцов на различных этапах деформации.
По результатам исследования механических характеристик (рисунок 66) сплава Cu-0,65Cr упрочнение происходит в первом блоке ковки, а второй блок не ведет к упрочнению. Предел прочности после ковки во втором блоке составляет 365±10 МПа. Электропроводность на этапе ковки сохраняется на уровне 33 % IACS. 1 цикл РКУП, совмещенного с выдавливанием, существенно упрочняет материал. Предел прочности повышается на 115 МПа и составляет 480 МПа. Последующее дисперсионное упрочнение на этапе старения приводит к еще более существенному росту предела прочности вплоть до 560±20 МПа. Электропроводность (рисунок 67) после РКУП с выдавливанием равна 40 % IACS, что связано с режимом деформирования при 450С. Старение при 450 С в течение 1 часа повышает электропроводность до 76 % IACS. Необходимо отметить, что после старения уровень пластичности (рисунок 68) достигает 23 %. Данное значение пластичности обусловлено вытянутостью структуры и преимущественным расположением частиц вторых фаз по границам фрагментов.
В результате проведенной обработки лабораторные образцы контактного провода обладают следующими физико-механическими свойствами:
- Предел прочности: 560±20 Мпа;
- Электропроводность: 76±2 % IACS;
Исследование эксплуатационных свойств лабораторных образцов контактного провода. В ходе проведения аттестации полученных образцов были проведены испытания на перегиб и скручивание. В результате проведенной обработки лабораторные образцы контактного провода обладают следующими эксплуатационными свойствами:
-Количество скручиваний: 6; -Количество перегибов: 4.
Согласно приведенным выше литературным данным, а так же данным [128]: Задействованные производственные площади:
1. Традиционная схема обработки
- площадь линии ЛПА = 800 м2,
- площадь линии волочения = 420 м2.
2. Новая схема непрерывного комбинированного процесса
- площадь комбинированной линии = 900 м2
Задействованные мощность оборудования:
1. Традиционная схема обработки
- три клети (черновая, получистовая и чистовая) прокатки = 1370 КВт
- линия волочения = 500 КВт
2. Новая схема непрерывного комбинированного процесса
- радиально-ковочная машина: SMS Meer SMX 350/6 = 660 КВт;
- экструдер TJ 550 - 450 КВт
Стоимость энергии для промышленных предприятий в среднем 3.1 рубля за 1 кВт (в среднем).
Стоимость 1 м2 производственных площадей 25 тыс. рублей (в среднем) Расчет затрат проведен в расчете на год, при двухсменной работе (16 часов) и 240 рабочих днях.
Затраты по использованной энергии:
1. Традиционная схема обработки:
Сумма мощностей 1770 КВт, расчетная стоимость затрат по энергии за час:
G=17703,1 =5487 руб. Итого за год:
24016G=240165487 = 21070080 рублей
2. Новая схема непрерывного комбинированного процесса
Сумма мощностей 1810 КВт, расчетная стоимость затрат по энергии за час 18103.1 =5611 рублей
Итого за год: 24016G=24016 5797 =21546240 рублей
Затраты по площадям
Абсолютная разница по используемым площадям составляет 320 м2 в пользу их экономии при внедрении нового процесса.
Сумма сэкономленных затрат составляет Ф=25000320=8 млн. рублей. С учетом амортизационных отчислений экономический эффект в год составляет где На - норма амортизации, %; Ф - стоимость выведенных из амортизационных затрат площадей. A= 2,5:100 8000000 = 200000 рублей,
Итого, общий экономический эффект от внедрения новой технологии по экономии энергии и производственных площадей составит: 21546240-21070080+200000=676160 рублей.
Таким образом, применение разработанных и представленных технических решений является экономически целесообразным.