Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор научно-технической литературы 8
1.1 Анализ способов прошивки заготовок 8
1.2 Заготовка для трубопрокатного производства 30
2. Исследование влияния качества непрерывнолитой заготовки и технологических схем производства труб на их структуру и свойства ... 33
2.1 Качество непрерывнолитой заготовки 33
2.2 Изменение структуры непрерывнолитой заготовки в процессе обжатия в трехвалковом стане 47
2.3 Структура и механические свойства труб, изготавливаемых на ТПА 50-200 ОАО ВТЗ из предварительно обжатой непрерывнолитой заготовки 51
2.4 Структура и механические свойства труб, изготавливаемых методом прессования 52
2.5 Структура и механические свойства труб, изготавливаемых из непрерывнолитой заготовки 54
3. Разработка и экспериментальные исследования процесса прошивки непрерывнолитых заготовок с повышенными обжатиями по диаметру ... 57
3.1 Экспериментальные исследования процесса прошивки 76
3.2 Разработка способа прошивки 82
3.3 Экспериментальные исследования в промышленных условиях ОАО ВТЗ 94
3.4 Промышленное апробирование 97
4. Разработка рациональной конструкции направляющих линеек на основе анализа их напряженного состояния и температурных полей 98
4.1 Износ направляющих линеек 100
4.2 Обоснование расчетного метода 110
4.3 Особенности расчетной методики
4.4 Тепловое и напряженное состояние направляющих линеек ТПА 50-200 ОАО ВТЗ 114
4.5 Тепловое и напряженное состояние линеек с учетом изменения их конструкции и схемы охлаждения 125
4.6 Расчетное исследование напряженного состояния линеек при прокатке в промышленных условиях 132
5. Совершенствование и внедрение технологии прокатки гильз и труб . 134
5.1 Повышение тянущей способности рабочих валков прошивного стана 134
5.2 Использование направляющих линеек с внутренним охлаждением 136
5.3 Прокатка промышленной партии труб 138
5.4 Технико-экономическая оценка новой технологии 140
Выводы 142
Список использованной литературы Приложение
- Заготовка для трубопрокатного производства
- Изменение структуры непрерывнолитой заготовки в процессе обжатия в трехвалковом стане
- Экспериментальные исследования в промышленных условиях ОАО ВТЗ
- Тепловое и напряженное состояние направляющих линеек ТПА 50-200 ОАО ВТЗ
Введение к работе
Одной из главных задач, стоящих перед трубной промышленностью России, является повышение качества и объемов выпускаемой продукции при существенном сокращении издержек производства. ОАО «Трубная металлургическая компания» считает, что перспективным направлением уменьшения себестоимости продукции и повышения ее конкурентоспособности на мировом рынке является использование непрерывнолитой заготовки при расширении сортамента выпускаемых труб.
Применение непрерывнолитой заготовки (НЛЗ) по сравнению с использованием слитков позволяет значительно сократить отходы металла в обрезь, увеличить выход годного, повысить производительность и улучшить условия труда. К недостаткам непрерывнолитой заготовки относится наличие ярко выраженной зоны осевой ликвации и несплошности (пористости) по всей ее длине с участками, имеющими различную степень химической неоднородности по содержанию углерода и хрома. В процессе горячей пластической деформации пористость и химическая неоднородность металла осевой зоны заметно уменьшается, однако для полного устранения зоны осевой несплошности наряду с использованием различных методов подготовки расплава необходимо обеспечивать величину коэффициента вытяжки при обычной продольной прокатке на уровне не менее 12-15.
Использование операций горячей радиально-сдвиговой деформации с управляемыми макропотоками металла позволяет не только снизить величину необходимого для полной проработки металла коэффициента вытяжки до 5 - 7, но и обеспечить получение однородной гомогенной структуры по сечению и длине заготовки.
В связи с изложенным разработка эффективных технологических схем деформирования непрерывнолитой заготовки методами винтовой прокатки для производства горячекатаных труб является актуальной научно-технической задачей, решению которой посвящена настоящая работа.
Автором представлены результаты исследований качества металла
непрерывнолитой заготовки методом металлографического анализа, обобщение данных, полученных в ходе промышленных экспериментов по радиально-сдвиговой прокатке (РСП) непрерывнолитой заготовки, результаты экспериментальных исследований процесса прошивки при повышенных обжатиях, новая технология производства труб из непрерывнолитой заготовки с получением гильз винтовой прокаткой при повышенных (до 15) значениях угла подачи и обжатиях в пережиме валков до 30 %, результаты физического и математического моделирования напряженно-деформированного состояния и поля температур направляющих линеек, результаты промышленного опробования новой технологии производства труб из непрерывнолитых заготовок, оценка качества прокатанных труб, данные технико-экономического анализа эффективности использования непрерывнолитых заготовок.
Целью работы является повышение качества труб, прокатываемых из непрерывнолитой заготовки, путем интенсификации винтовой прошивки непрерывнолитых заготовок с использованием научно обоснованной методики расчета параметров напряженно-деформированного состояния и поля температур направляющих линеек.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
На основании анализа научно-технической и патентной литературы выбрать рациональные варианты технологии прошивки непрерывнолитой заготовки для получения высококачественных бесшовных труб.
Провести исследования качества металла непрерывнолитой заготовки и промышленные эксперименты по использованию процессов РСП с разными режимами деформирования для оценки их влияния на состояние структуры металла в гильзах и трубах.
Разработать новую технологию горячего деформирования непрерывнолитой заготовки для интенсивной проработки структуры литого металла, обеспечивающую минимальные затраты на передел при высоком качестве получаемых горячекатаных труб.
4. Разработать комплексную методику проектирования направляющих линеек прошивного стана, реализованную в виде математической модели с помощью вычислительной системы Cosmos и на основе полученных результатов предложить режимы прошивки, обеспечивающие высокую износостойкость инструмента и качество получаемых гильз.
Научная новизна заключается в следующем.
Разработан новый способ прошивки непрерывнолитой заготовки из сталей углеродистых и легированных марок с обжатием заготовки в пережиме валков до 30 % и «посадом» гильзы по диаметру относительно диаметра заготовки до 24 % (патент РФ №2250147, БИ № 11,2005 г.).
Получены зависимости кинематических и энергосиловых параметров процесса от коэффициента вытяжки при прошивке на «посад» непрерывнолитой заготовки с обжатием в пережиме до 30 %, на основе которых разработаны рациональные режимы прошивки.
Разработана математическая модель для расчета параметров напряженно-деформированного состояния и поля температур направляющей линейки натурных размеров при фактических условиях деформирования в режиме реального времени с использованием компьютерной вычислительной системы Cosmos и осуществлена проверка полученных результатов путем проведения эксперимента в промышленных условиях.
Выполнен анализ количественных характеристик напряженно-деформированного состояния и поля температур направляющей линейки и получены новые данные о значениях напряжений, накопленной деформации, распределении температуры по объему линейки на протяжении одного и нескольких циклов прокатки с учетом передачи и отвода тепла при неизотермических условиях и в периоды пауз.
С помощью экспериментальных, опытно-промышленных исследований и математического моделирования обосновано применение локальных сквозных полостей в теле линейки для изменения характера распределения напряжений и температуры по ее объему с целью повышения износостойкости и улучшения качества наружной поверхности гильз.
На защиту выносится:
новый способ прошивки непрерывнолитых заготовок в двухвалковом стане с повышенными обжатиями в пережиме валков (до 30 %) и «посадом» гильзы по диаметру до 24 %, обеспечивающий интенсивную проработку исходной литой структуры металла и уменьшение склонности металла к центральному разрушению;
зависимости кинематических и энергосиловых параметров процесса от коэффициента вытяжки при прошивке на «посад» непрерывнолитои заготовки с обжатием в пережиме до 30 %, на основе которых разработаны рациональные режимы прошивки;
комплексная методика исследований и проектирования направляющих линеек прошивного стана, включающая математическое моделирование напряженно-деформированного состояния линейки с учетом распределения температуры по ее объему;
конструкция направляющей линейки с внутренними каналами для охлаждения водой изнутри, обеспечивающая повышение ее износостойкости и улучшение качества гильз и труб по состоянию наружной поверхности.
Заготовка для трубопрокатного производства
Исходной заготовкой для получения бесшовных труб являются слитки, катаные или кованые заготовки и непрерывнолитые заготовки. С экономической точки зрения наиболее эффективным является производство труб из непрерывнолитой заготовки благодаря ее меньшей стоимости.
Впервые в мире применение непрерывнолитых трубных заготовок было реализовано в СССР в 1957 г. При этом партия заготовок диаметром 280 мм, отлитая на экспериментальной МПНЛЗ в ЦНИИЧермете была прокатана на агрегатах с пилигримовыми станами Нижнеднепровского трубопрокатного завода. Исследование качества полученных нефтепроводных труб показало перспективность и целесообразность применения непрерывнолитого металла для производства труб [1]. В последствии непрерывнолитые заготовки прокатывали в трубы различного диаметра и назначения на агрегатах с пилигримовыми станами Челябинского трубопрокатного завода, Таганрогского металлургического завода, на агрегате с автоматстаном Первоуральского новотрубного завода и др. За рубежом с 1976 по 1986 гг. из непрерывнолитых заготовок было прокатано 8,5 млн. т. бесшовных труб на различных трубопрокатных агрегатах [3].
Отмечено, что при прокатке непрерывнолитых и катаных заготовок на непрерывном трубном и редукционном станах не наблюдалось никаких различий, за исключением того, что в трубе, полученной из непрерывнолитой заготовки, при определенных толщинах стенки имелись остатки литой структуры. Брак труб по поверхностным дефектам не превышал 0,2 % (для катаных заготовок меньше). Причинами этого является наличие пористости, шлаковых включений и небольших продольных трещин. Брак труб по внутренним дефектам на непрерывном трубном стане составлял 0,1 % [79 - 81].
В 1991 г. в СССР было начато изготовление бесшовных труб из промышленных партий непрерывнолитых круглых заготовок диаметром 196 и 340 мм, отлитых на МНЛЗ Волжского трубного завода (ОАО ВТЗ). Последние не имели дефектов поверхности, овальность не превышала 0,5 %, а степень развития осевой химической неоднородности и центральной пористости была не выше 1 балла по четырехбальной шкале ЦНИИчермета. Заготовки из стали 20 без механической обработки поверхности (что предусмотрено технологией) были использованы в трубопрессовом цехе. Полученные трубы не имели дефектов поверхности. Заготовки диаметром 196 мм были прокатаны на ТПА 200 с трехвалковыми раскатными станами на ОАО ВТЗ и ТПА 220 с автоматстаном на Первоуральском новотрубном заводе (ПНТЗ).
В обоих случаях процесс прокатки протекал нормально. Трубы размером 159x25 мм, изготовленные на ОАО ВТЗ, не имели поверхностных дефектов, механические свойства удовлетворяли требованиям ГОСТ 8731. Вблизи внутренней поверхности труб наблюдали остатки литой структуры, что снизило твердость от наружной к внутренней поверхности от 179 до 149 НВ (при 156 НВ по ГОСТ 8731).
На ТПА с автоматстаном ПНТЗ были изготовлены трубы размером 194 х 10 мм. Отмечено, что наиболее ответственная операция - прошивка, проходила устойчиво. Настройка остальных станов соответствовала стандартной схеме. Из 97 прокатанных труб только одна труба в торцевой части имела внутреннюю плену, которая была зачищена. Макроструктура труб не имела остатков литой структуры, механические свойства труб удовлетворяли требованиям ГОСТ 8731 [3].
В работе [3] сделан вывод, что непрерывнолитые круглые заготовки можно применять не только на пилигримовых станах, но также на тех ТПА, которые традиционно используют заготовку из деформированного металла.
В тоже время отмечено наличие остатков литой структуры в толстостенных трубах, что может отрицательно сказаться на их качестве, и эта проблема несомненно является предметом дальнейших исследований. Получение трубной заготовки из исходной непрерывнолитой заготовки осуществляется по различным технологическим схемам, но, как правило, включающим горячую прокатку непрерывнолитого блюма на трубозаготовочном стане или на обжимном стане [8], с определенным коэффициентом вытяжки. В ряде случаев в трубной заготовке сохраняется до 10 % литой структуры. В целом металл соответствует требованиям технических условий на трубную заготовку. Однако включение в технологическую схему горячего передела повышает стоимость трубной заготовки и снижает эффективность ее применения для изготовления труб. Поэтому наиболее предпочтительными являются технологии трубного производства, использующие непосредственно непрерывно-литую заготовку.
Таким образом, проведенный анализ научно-технической литературы показывает, что прошивка заготовки в гильзу в стане винтовой прокатки является основным способом прошивки в трубопрокатном производстве, при этом непрерывнолитая заготовка круглого сечения может успешно использоваться для получения труб различного сортамента и назначения. В то же время актуальной является проблема повышения качества гильз и труб в особенности по состоянию внутренней поверхности.
На основании проведенного анализа научно-технической литературы, качества непрерывнолитой заготовки и особенностей сортамента трубопрокатного агрегата с трехвалковыми раскатными станами сформулирована цель работы: повышение качества труб, прокатываемых из непрерывнолитой заготовки, путем интенсификации винтовой прошивки непрерывнолитых заготовок с использованием научно обоснованной методики расчета параметров напряженно-деформированного состояния и поля температур направляющих линеек [80, 87].
Изменение структуры непрерывнолитой заготовки в процессе обжатия в трехвалковом стане
Производился отбор патрубков труб высотой 150 - 200 мм, из которых вырезались кольца, и готовились макротемплеты в соответствии с ОСТ 14-1-235-91. Травление проводили в 50 %-ом растворе соляной кислоты при температуре 60 - 80 С в течение 30-40 минут. Степень проработки литой структуры изучалась без применения увеличительных приборов. Граница раздела измельченной и литой структуры определялась визуально и инструментальной линейкой измерялось расстояние от наружной поверхности заготовки (гильзы, трубы) до границы раздела. где X - степень проработки литой структуры, % Для производства труб широкого сортамента на ТПА 50-200 ОАО ВТЗ требуется 14 типоразмеров заготовки диаметром 90 - 210 мм с интервалом в 10 мм. В ЭСПЦ ВТЗ получают непрерывнолитые заготовки диаметром 156, 196 и 228 мм. Расширение сортамента на УНРС технически и экономически нецелесообразно, так как требуется дорогостоящее дополнительное оборудование УНРС.
В результате проведенных экспериментальных исследований деформации непрерывнолитых заготовок диаметром 156, 196 и 228 мм в трехвалко-вых станах винтовой прокатки ТПА 50-200 была установлена принципиальная возможность производства заготовок широкого сортамента в условиях ОАО ВТЗ: увеличен угол подачи на трехвалковом раскатном стане до 14; разработана специальная калибровка валков трехвалкового стана, позволяющая выполнить обжатие непрерывнолитой заготовки за проход до 40 %. В таблице 2.11 приведены данные по проработке структуры при обжатии непрерывнолитой заготовки на раскатном стане ТПА 50-200. Установлено, что при увеличении коэффициента вытяжки ц от 1,4 до 2,7 степень проработки структуры увеличивается с 27 до 45 %. На рисунках 2.4 и 2.5 представлена исходная структура непрерывнолитой заготовки диаметром 156 мм (сталь 20) и структура после обжатия с \i= 1,7. В ходе исследований было также установлено, что прокатка непрерыв-нолитой заготовки в раскатном стане при углах подачи рабочих валков 14 с коэффициентом вытяжки свыше 2,4 в ряде случаев сопровождается некоторым развитием центральной пористости на 1 - 2 балла, что отрицательно сказывается на состоянии внутренней поверхности гильз и труб. По видимому, при прошивке заготовок с повышенной пористостью перед носком прошивной оправки образуется локальное центральное разрушение металла, которое трансформируется в плены на внутренней поверхности гильз и труб.
Очевидно, что процесс прокатки прокатка непрерывнолитой заготовки необходимо осуществлять при больших углах подачи - в интервале 18 - 24, что было установлено исследованиями, проведенными в МИСИС. Однако конструкция существующего раскатного трехвалкового стана ТПА 50-200 не позволяет реализовать такой диапазон углов подачи. Таким образом, разработана технология обжатия прокатка непрерывнолитой заготовки в трехвалковом раскатном стане с коэффициентом вытяжки от 1,2 до 2,7. При этом степень проработки наружных слоев увеличивается от 27 до 45 %, что создает предпосылки для обеспечения полной проработки структуры при последующем изготовлении труб. На ОАО ВТЗ впервые в практике отечественных заводов освоено производство труб из непрерывнолитой заготовки и предварительно обжатой заготовки [79, 83, 84, 86]. По данным работ [1, 7, 11, 85] для обеспечения требуемых свойств труб, изготавливаемых из непрерывнолитой заготовки, необходима суммарная вытяжка 4-7. В таблице 2.12 приведены данные зависимости степени проработки структуры от суммарно коэффициента вытяжки труб, изготовленных на ТПА 50-200 ОАО ВТЗ.
Экспериментальные исследования в промышленных условиях ОАО ВТЗ
Промышленное апробирование технологии прокатки труб на ТПА 50-200 ОАО ВТЗ с использование процесса прошивки непрерывнолитой заготовки с повышенными обжатиями проводили по всему технологическому циклу по схеме нагрев - прошивка - раскатка - редуцирование при изготовлении труб различного назначения и размеров из сталей марок 35, 45, 40Х, 15Х5М (таблица 3.7) из непрерывнолитых заготовок диаметром 156 и 196 ми 140 мм.
Одной из целей прокатки промышленной партии труб являлась проверка стабильности технологии при получении толстостенных труб с отношением диаметра к толщине стенки 4,2 - 7,9.
Установлено, что процесс прокатки толстостенных труб протекал устойчиво, нагрузки на главные приводы прокатных станов не превышали значений по технической характеристике оборудования. Износостойкость инструмента при таких небольших объемах производства практически не отличалась от штатной, выход годного первым сортом составил 98,47 %, что соответствует нормативно-технической документации предприятия.
Следующий этап промышленного апробирования заключался в прокатке тонкостенных труб размерами 114 х 8 мм (D/S = 14,2), 127 х 8 мм (D/S = 15,9) и 114 х 9 мм (D/S = 12,7) из сталей марок 20, 20Х, 40Х, 35Г1, 35 и др. в объеме 1550 тн. Следует отметить, что прокатка труб такого сортамента на агрегатах с трехвалковым раскатным станом протекает неустойчиво из-за образования трехгранных раструбов по концам труб, что, естественно, приводит к повышенному расходу металла из-за обрези концевых участков. При этом процесс раскатки в трехвалковом раскатном стане осуществляют на валках с гребнем высотой 6,0 мм, а на прошивном стане получают гильзы с отношением D/S « 9 - 10. При прошивке таких гильз из непрерывнолитой заготовки диаметром 156 мм коэффициент вытяжки составлял 3,6 - 3,9.
Во время прокатки промышленной партии было установлено: процесс прошивки первых 200 - 250 тн заготовок на чашевидных валках протекал устойчиво, затем наблюдалось ухудшение условий захвата заготовок из-за заполировки рабочих валков прошивного стана и снижения их тянущей способности; износостойкость прошивных оправок составила в среднем 230 проходов, т.е. соответствовала износостойкости оправок при прошивке по традиционной технологии на бочковидных валках; износостойкость направляющих линеек составила в среднем 132 прохода, причем верхняя линейка изнашивалась примерно в два раза интенсивнее нижней, из-за чего приходилось часто корректировать настройку очага деформации.
Снижение износостойкости технологического инструмента прошивного стана, частая его замена, привели к некоторому уменьшению производительности и ухудшению качества труб. Например, выход годного по тонкостенным трубам составил 97,22 % при нормативе 98,8 %.
Очевидно, успешное внедрение новой технологии прошивки непрерывнолитой заготовки с повышенными обжатиями в гильзы в широком диапазоне D/S (от 4 до 10) из углеродистых и легированных марок стали, возможно только при достаточно высокой износостойкости технологического инструмента, в особенности направляющих линеек и хорошей тянущей способности рабочих валков.
Сложный характер явлений при пластическом деформировании металла в сочетании с высокими тепловыми и механическими нагрузками, их циклическим действием и неравномерным распределением по поверхности контакта с инструментом вызывает серьезные трудности при совершенствовании методик проектирования технологических процессов, рационального конструирования инструмента. Несмотря на большое количество инженерных формул, используемых при проектировании процессов прокатки труб, до последнего времени отсутствовали универсальные расчетные методики, учитывающие сложный характер явлений при пластическом деформировании металла. В настоящее время в обработке металлов давлением наблюдается тенденция к углубленному изучению теплового и напряженного состояния деформируемого материала и инструмента. Однако, несмотря на большой объем накопленного экспериментального материала по различным аспектам прокатки труб, его обобщение, многократное подтверждение практикой выдвинутых ранее теоретических положений, подробные сведения о механике и теплофизике процесса прошивки в имеющейся литературе отсутствуют. Вычисление температуры и напряжений и анализ полей данных параметров позволяют получить ответы на вопросы о причинах преждевременного выхода из строя направляющего инструмента при прошивке труб и обосновать новые рациональные технические решения, направленные на повышение его стойкости.
В связи с изложенным важной научной задачей является установление вклада температурного фактора на значение напряжений и изменение физико-механических свойств материала. Изучение температуры внутри направляющего инструмента с помощью экспериментальных методов при прошивке труб в натурных условиях весьма затруднительно. Таким образом, наиболее эффективным подходом к этой проблеме является теоретическое описа ниє процессов передачи тепла в инструменте и его деформированного состояния, что обусловливает решение актуальной задачи по разработке и применению универсальных расчетных методик вычисления температуры, напряжений и деформаций, реализованных в виде пакетов программ. Это позволяет, во-первых, резко увеличить число исследуемых параметров и, во-вторых, установить влияние технологических, геометрических факторов процесса прошивки на изменение теплового и напряженного состояния инструмента в широком диапазоне изменения параметров в различные моменты технологического цикла прошивки и на протяжении нескольких циклов.
Тепловое и напряженное состояние направляющих линеек ТПА 50-200 ОАО ВТЗ
Для выбора направления дальнейших исследований методом расчетного моделирования проанализировали характер распределения температуры и напряжений в направляющих линейках, соответствующий действию силового, температурного и эксплуатационного факторов при прошивке партий труб в промышленных условиях. При разработке модели были приняты во внимание особенности теплового режима эксплуатации линеек: чередование и циклический характер нагрузки, протекания процесса передачи и отвода тепла при прошивке и в периоды пауз.
В начале разработали модель для изучения распределения температуры и напряжений и их изменения в течение первого цикла прошивки. На втором этапе разработали объемную модель, с помощью которой изучали изменение теплового состояния линеек в течение 20-ти циклов прошивки.
В первую очередь были рассмотрены условия эксплуатации линейки на первом цикле, когда она недостаточно прогрета, поскольку такой режим принято считать одним из наиболее тяжелых из-за высокой скорости передачи тепла во время прошивки. Одновременно происходит смена направления теплового потока при переходе к этапу охлаждения водой и резкое охлаждение поверхностного слоя.
При выборе схемы передачи тепла учитывали, что продольные размеры линеек в пять раз превышают размеры поперечных сечений. С учетом формы, размеров поверхности контакта и направления передачи тепла от заготовки было принято допущение о плоской схеме передачи тепла. При этом передачей тепла вдоль продольной оси в течение одного цикла пренебрегали. Вычисление температуры выполняли в поперечном сечении линейки.
На втором этапе разработали модель, соответствующую объемной схеме. С помощью модели данного вида был учтен циклический характер изменения тепловых и механических нагрузок. Это позволило, получая полные картины температуры и напряжений, приблизить модель к реальным условиям прошивки. При разработке модели были учтены: условия передачи тепла от заготовки, условия охлаждения путем подачи потока воды, циклическое изменение условий эксплуатации линеек. Было учтено накопление тепла на предыдущих циклах.
Для установления связи теплового состояния с режимами прошивки и условиями охлаждения линеек была разработана методика исследований, реализованная в несколько этапов. На первом этапе изучали характер изменения температуры и степень ее влияния на величину напряжений на одном цикле. При этом было подвергнуто анализу тепловое и напряженное состояние отдельно при прошивке, а затем при охлаждении в период паузы. На втором этапе расчеты выполняли для условий прошивки нескольких заготовок в соответствии с условиями прокатки на прошивном стане. Такой подход позволил выявить характер изменения напряжений, установить связь напряжений с условиями охлаждения при существующей схеме охлаждения и получить оценку эффективности режима охлаждения с учетом ранее сформулированных задач.
Расчеты распределения температуры по высоте линейки в момент завершения прошивки выполнены при граничном условии I рода: начальной температуре линейки 35 С. Показано, что температура линейки на глубине 3,5 мм равна 640 С, на глубине 7 мм - 500 С, а на глубине 15 мм температура за время цикла возрастает до 100 С. В то же время при заданных условиях расчета значительная часть сечения линейки за время прошивки осталась непрогретой. Дальнейшие расчеты выполняли при граничных условиях III рода.
Значения температуры и составляющей напряжений ох, соответствующие моменту окончания 1-го цикла, представлены на рисунках 4.6, 4.7. Для сравнительного анализа на рисунках 4.8, 4.9 приведено тепловое и напряженное состояние в момент окончания охлаждения линейки после 20-ти циклов прошивки.
Тепловое состояние (см. рисунок 4.6) характеризуется появлением "ядра" на глубине 12 мм от поверхности, более нагретого по сравнению с остальным сечением. "Ядро" и линии уровня (изолинии) выходят на поверхность. В связи с непрерывным охлаждением температура распределена неравномерно, а на поверхности на 40 С ниже, чем в слое под поверхностью. Следует отметить, что напряжения (см. рисунок 4.7) вызваны действием только одного температурного поля: наблюдаются две характерные зоны в форме эллипса, отличающиеся знаком напряжений.
Первая из них, расположенная в верхней части сечения под рабочей поверхностью, занята сжимающими напряжениями. Во второй области, лежащей ниже, и в поверхностном слое толщиной 1,2 мм напряжения являются растягивающими. Указанный характер изменения напряжений наблюдается в центре и на большей части сечения вокруг второй зоны симметрии. С удалением от центра к боковым стенкам уровень напряжений уменьшается по сравнению со значениями ах. Отмеченные закономерности иллюстрирует график напряжений (см. рисунок 4.7, сечение А-А). На втором этапе расчетное моделирование выполняли с учетом характера распределения и циклического действия тепловых и механических нагрузок при прошивке партии трубных заготовок в количестве 20 штук. Расчеты показали, что, на рассмотренном интервале времени 9 минут, несмотря на непрерывное охлаждение водой, перед началом каждого очередного цикла происходило увеличение температуры в сечении и на поверхности. Отмеченная тенденция связана с накоплением тепла во внутренних объемах линейки из-за недостаточной скорости отвода тепла при охлаждении. Одновременно с этим выявлена другая тенденция: увеличение уровня растягивающих напряжений в объеме линейки и на ее рабочей поверхности.
По значениям расчетных параметров на поверхности и характеру изменения во времени полей температуры и напряжений был сделан вывод о возрастании отрицательной роли факторов, приводящих к отрицательным эффектам в виде трещин. Был сделан вывод о том, что существующий режим охлаждения линеек путем подачи воды на наружную поверхность недостаточно эффективен для повышения их стойкости.
Подтверждением сделанных замечаний служат значения расчетных параметров (см. рисунки 4.8 и 4.9). Например, из сравнительного анализа рисунков 4.8 и 4.6 видно, что область максимального разогрева осталась на прежнем месте, как и на 1-м цикле. Характер распределения температуры по сравнению с 1-м циклом остался прежним, хотя в результате нагрева линейки уровень температуры резко увеличился. Например, температура рабочей поверхности возросла на 480 С и составила после 20-го цикла 568 С. Температура в нижней части сечения А-А (на противоположной поверхности линеек) составила 340 С, а на боковых поверхностях 150 С. Одновременно на каждом цикле происходит увеличение растягивающих напряжений на рабочей поверхности и в сечении.
