Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 7
1.1. Развитие теории радиально-сдвиговой прокатки 7
1.2. Методы решения тепловых задач в области ОМД 11
1.3. Способы измерения температуры при горячей обработке металлов 16
Глава 2. Теоретическое определение и исследование температурного поля 22
2.1. Постановка задачи 22
2.2. Решение тепловой задачи при влиянии теплообмена с окружающей средой и воздействии тепловых источников 23
2.3. Определение функции тепловых источников 33
2.4. Алгоритм пошагового вычисления деформационных параметров 40
2.5. Разработка программного обеспечения для расчета теплового поля металла 45
Глава 3. Разработка методики экспериментального исследования температуры металла при радиально-сдвиговой прокатке 48
3.1. Предпосылки создания методики 48
3.2. Сущность метода 49
3.3. Тарировка системы измерения 57
3.4. Оценка точности измерения 63
3.5. Испытание разработанного способа при различных процессах обработки металлов 65
Глава 4. Исследование факторов, определяющих тепловое состояние металла при РСП 71
4.1. Исследование параметров очага деформации при радиально-сдвиговой прокатке прутков из стали СтЗ и титанового сплава ВТ-6 71
4.2. Тепловизионное исследование глубины положения максимума температуры 82
4.3. Тепловизионное исследование распределения температуры поверхности по длине заготовки 84
4.4. Исследование влияния параметров процесса РСП на тепловое состояние заготовки 86
Глава 5. Анализ теплового состояния металла при реверсивной многопроходной РСП 100
5.1. Описание оборудования для исследования 100
5.2. Исследование деформационного разогрева металла в каждом проходе 105
5.3. Особенности теплового поля металла при многопроходной реверсивной РСП 110
Выводы 115
Литература 117
Приложения 124
- Способы измерения температуры при горячей обработке металлов
- Решение тепловой задачи при влиянии теплообмена с окружающей средой и воздействии тепловых источников
- Испытание разработанного способа при различных процессах обработки металлов
- Тепловизионное исследование распределения температуры поверхности по длине заготовки
Введение к работе
При горячей обработке металлов давлением, особенно двухфазных титановых сплавов, распределение температуры металла в очаге деформации и деформационный разогрев оказывает значительное влияние на качество получаемой продукции. Высокие механические характеристики проката достигаются при деформации в а+{3 области, в узком диапазоне температур. Его нижняя граница определяется величиной снижения пластических характеристик металла, а верхняя — температурой полиморфного превращения, превышение которой приводит к получению микроструктуры металла игольчатого типа, и как следствие, — к снижению качества изделий. Температуропроводность титана и его сплавов — наиболее важная характеристика многих процессов теплообмена — примерно в 15 раз ниже, чем у алюминиевых сплавов, и в 3,5 раза меньше, чем у сталей. Низкая температуропроводность затрудняет выравнивание температуры металла после деформации и приводит к значительным температурным перепадам по сечению заготовок. На распределение температуры воздействует множество факторов - теплофизические характеристики металла, температура нагрева, скоростные и деформационные параметры прокатки.
Одним из важнейших процессов получения пруткового проката из труднодеформируемых металлов и сплавов является радиально-сдвиговая прокатка (РСП). Положительными факторами применения РСП являются: благоприятная схема напряженно-деформированного состояния; дробная деформация, что положительно влияет на структуру металла; изотропность структуры и свойств прокатанного металла; бесступенчатое изменение диаметра проката в широких пределах; высокий ресурс рабочего инструмента.
Однако в настоящее время методы теоретического определения температурного состояния в объеме металла при РСП, которая широко
применяется для производства проката из сплавов титана, развиты недостаточно. Это не позволяет эффективно совершенствовать технологические режимы прокатки и калибровки рабочего инструмента.
Для экспериментальных исследований теплового состояния металла при РСП существует необходимость в широкодоступном способе бесконтактного одновременного непрерывного измерения температуры металла по всем точкам очага деформации. Существующие способы не позволяют получить полной картины теплового поля.
В связи с этим, разработка новых методов как теоретического, так и экспериментального исследования теплового состояния металла при РСП, является актуальной задачей.
Автором проведены комплексные исследования теплового состояния заготовки при радиально-сдвиговой прокатке и получены результаты, отвечающие требованиям оригинальности, новизны и представляющие практическую ценность.
Разработан и испытан в промышленных условиях способ бесконтактного (тепловизионного) непрерывного измерения температуры поверхности нагретых тел, обладающий высокой надежностью и информативностью, пригодный для исследования температуры поверхности и оценки теплового поля в объеме металла при РСП и других процессах горячей обработки давлением.
Разработанные методики и результаты исследования теплового состояния заготовки при РСП использованы для оптимизации существующих технологических режимов прокатки двухфазных титановых сплавов в а+Р области, а также для разработки новых технологических режимов и создания рациональных калибровок рабочих валков в условиях ОАО «Верхне-Салдинское металлургическое производственное объединение».
На защиту выносится:
математические модели и методики расчета и теплового состояния заготовки в объеме металла при прокатке в станах РСП с учетом реальной
формы очага деформации, потерь тепла в окружающую среду и тепловыделения в процессе пластической деформации, реализованные в виде алгоритмов и программ расчета распределения температуры при РСП;
методика бесконтактного (тепловизионного) исследования теплового состояния заготовки, основанная на анализе видеоизображения в видимом и инфракрасном диапазонах;
результаты промышленного опробования методики бесконтактного измерения температуры металла;
результаты экспериментальных и теоретических исследований теплового состояния заготовок в станах РСП, основные зависимости характеристик теплового состояния проката от технологических параметров процесса РСП, рекомендуемые значения этих параметров, обеспечивающие допустимый диапазон температур в объеме заготовки.
Работа выполнена на кафедре «Обработка металлов давлением» Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета) и является частью комплексных исследований по разработке теории и технологии эффективных наукоемких процессов обработки металлов давлением, проводимых в МГИСиС (ТУ) в рамках госбюджетных и договорных научно-исследовательских работ по теме: «Создание реологической теории и математической модели высокотемпературной деформации металлических материалов в процессах с микро- и макросдвигами».
Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность проф. к.т.н. Романенко В.П., доц. к.т.н. Савченко B.C., проф. д.т.н. Тюрину В.А, а также заведующему кафедрой ТиОПП ЭПИ МИСиС доц. к.т.н. Ахмедшину Р.И, оказавшим большую помощь в выполнении работы.
Способы измерения температуры при горячей обработке металлов
Все способы измерения температуры, применимые при горячей обработке давлением, можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные.
Большая часть всех контактных температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей [32, 33], принцип действия которых основан на явлении Зеебека [34].
В 1821 году немецкий ученый Т.И. Зеебек обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.
Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору. Широкому применению в промышленности термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры, не только на поверхности, но и в объеме тела (через отверстие). К числу достоинств термопар относятся также широкий диапазон измеряемых температур, малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0.01 С [35]. К недостаткам следует отнести необходимость предварительной установки термопар на объекте; наличие многочисленных проводов для подключения их к измерительному прибору, высокая вероятность разрушения термопар при обработке металла. Кроме того, измерение температуры движущегося металла с помощью термопар в процессе его обработки практически невозможно.
Существуют также портативные контактные термометры в которых рабочий спай термопары находится на щупе (зонде). Процесс измерения заключается в прикладывании зонда на рукоятке к исследуемой поверхности. Однако применение таких зондов в условиях высокой температуры рабочей зоны, например, в печах или вблизи нагретого металла, затруднительно. Точность измерения этими приборами резко снижается при неровной поверхности объекта или наличии на ней окалины, остатков формовочной смеси, огнеупоров и т.д., которые в металлургии и обработке металлов давлением имеются всегда. Как и все остальные контактные приборы, они непригодны для измерения температуры движущихся объектов.
Бесконтактные способы основаны на зависимости интенсивности или спектрального состава теплового излучения (инфракрасного или видимого) от температуры поверхности объекта, подчиняющейся закону Планка [34, 36]. Инфракрасное сканирование играет все более важную роль в контроле технологических процессов в металлургии, обработке металлов давлением, металлургии или обслуживании промышленного оборудования. Изображения, полученные в невидимом человеческому глазу тепловом диапазоне, позволяют без соприкосновения с объектом получить полную информацию о распределении температуры по поверхности объекта, что позволяет выявить температурные аномалии, нередко свидетельствующие о нарушении технологического процесса или предшествующие отказам техники. Бесконтактные методы температурного контроля позволяют производить диагностику не требуя остановки или изменения технологического процесса. Современные приборы для инфракрасного обследования обладают широкими возможностями для отслеживания тепловой информации в реальном времени, что существенно повышает оперативность контроля.
Всю аппаратуру для бесконтактного инфракрасного обследования объектов можно условно разделить на 3 основных класса [37,38]: пирометры; линейные инфракрасные сканеры; тепловизоры.
Пирометры являются самыми простыми в эксплуатации устройствами. Они позволяют осуществить однократное измерение температуры в одной точке объекта. Однако для определения полной картины теплового состояния объекта требуется определение температуры большого количества контрольных точек. Учитывая большое время, необходимое для замера температуры, с помощью пирометров (в том числе цифровых и микропроцессорных) невозможно исследование в производственных условиях современных скоростных методов обработки металлов давлением.
Линейные инфракрасные сканеры имеют линейку чувствительных элементов и измеряют температуру на выбранной горизонтальной линии. Сканирование ведется в один проход по вертикали и занимает несколько секунд, что намного меньше, чем при обследовании пирометром. Эти приборы часто также называют тепловизорами. Например, российским предприятием «ИРТИС» выпускается портативный термограф ИРТИС-200 [38], предназначенный для визуализации и измерения тепловых полей. Разрешающая способность современного тепловизионного термографа составляет »0,05С.
Решение тепловой задачи при влиянии теплообмена с окружающей средой и воздействии тепловых источников
В основу решения задачи [43-52] положено неоднородное двухмерное уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах (г, ф), заданных в поперечном сечении заготовки, где г — координата вдоль радиуса заготовки с началом на ее оси, изменяется в пределах от 0 до радиуса заготовки R; ф — угловая координата по окружности заготовки с началом в произвольном сечении, изменяется в пределах от 0 до 1%. Это уравнение при указанных выше допущениях имеет вид: с — теплоемкость металла; X — коэффициент теплопроводности металла; Дг, ф) — удельная мощность внутренних тепловых источников. Радиус заготовки в процессе одного прохода РСП меняется от Ro до R] в соответствии с истинными параметрами очага деформации. Величина мощности внутренних тепловых источников выражает нагрев при пластической деформации и определяется интенсивностью напряжений и деформаций в каждой рассматриваемой точке объема заготовки. Здесь при решении уравнения теплопроводности считается, что J{r, ф) - какая-либо известная функция, заданная во всем объеме металла. Нахождение этой функции распределения мощности тепловых источников в объеме металла представляет самостоятельную задачу, решение которой будет рассмотрено в следующем разделе.
Для решения данной задачи применяется метод конечных разностей. Очаг деформации разбивается на ряд сечений толщиной Ах (рис. 2.1), в каждом из которых определяется двухмерное поле температур Т(г, ф) на конечно-разностной сетке (рис. 2.2). Так как заготовка при РСП вращается относительно валков, то при расчете следующих сечений осуществляется поворот участков контакта заготовки с валками на угол фо (рис. 2.2). В этом случае система координат (JC, г, ф), связанная с рассматриваемым сечением заготовки, является неподвижной. Уравнение (2.1) описывает двухмерное нестационарное температурное поле. Чтобы упростить решение и уменьшить количество вычислений, уравнение теплопроводности представляется как комбинация п х т одномерных уравнений, каждое со своими краевыми условиями, где п — число разбиений по радиусу заготовки, т — число разбиений по окружности (углу). Значения температуры в узлах конечно-разностной сетки представляются в виде матрицы размерностью пхт. Для получения детальной картины теплового поля достаточно матрицы 100 х 100. Таким образом, при диаметре заготовки 200 мм будет обеспечиваться разрешение по радиусу 1 мм, что достаточно для исследования. До расчета матрица заполняется значениями температуры заготовки после нагрева, которые используются как начальные условия при решении уравнения теплопроводности. Индекс / показывает расстояние от рассматриваемой точки до оси заготовки, индекс/ — угол, отсчитываемый от произвольно взятого начального сечения. Уравнение теплопроводности, определяющее зависимость температуры от радиуса: Плотность тепловых источников ft принимается равной половине полной плотности/ Начальные значения температуры находятся в столбцах матрицы 7у. Граничное условие на оси заготовки - равенство нулю теплового потока:
Граничное условие на поверхности определяется средой, с которой контактирует заготовка (воздух или металл валка), т.е. зависит от угла ф. В общем случае граничное условие имеет вид (условие 3 рода) [20]: Коэффициент теплоотдачи а и температура среды Тср определяется условиями охлаждения. 1. При охлаждении на воздухе теплоотдача складывается из лучистой и конвективной: где ал — коэффициент теплоотдачи излучением; ак— коэффициент теплоотдачи конвекцией. Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по закону Стефана-Больцмана: Go— коэффициент излучения абсолютно черного тела; Е„— степень черноты поверхности заготовки. Степень черноты для титановых сплавов принимается равной єп = 0,8. Для определения сск воспользуемся критериальным уравнением теплообмена при обтекании потоком воздуха [20]: где Nu = ак//ЯВОзд — критерий Нуссельта; Re — У//УВ03Д — критерий Рейнольдса; возд и увозд — коэффициент теплопроводности и вязкость воздуха при температуре окружающей среды. Подставляя в уравнение (2.8) выражения для соответствующих критериев, получим формулу для определения сск: где v — скорость движения заготовки; / — теплоотдающая длина поверхности раската по направлению прокатки; В качестве теплоотдающей длины берется длина заготовки. Ее влияние невелико, т.к. она входит в уравнение в степени 0,2, поэтому учитывать винтовое движение, а также разброс длин заготовок не имеет смысла, различие в коэффициентах теплоотдачи даже при отличии длин в 3 раза составит 4 %. Коэффициент А зависит только от температуры окружающей среды. При 20С его численное значение равно 5,04. На рис. 2.3 видно, что влияние конвекции сильно уменьшается с ростом температуры поверхности. При температуре 1200С и выше доля конвективного теплообмена не превышает 5%. При температуре прокатки титановых сплавов 900 - 1100 С с высокой точностью можно принять ак = 0,11 ал, тогда
Испытание разработанного способа при различных процессах обработки металлов
Разработанный способ измерения температуры был опробован в лабораторных и промышленных условиях для замера температуры заготовок на ряде предприятий: ОАО «Электросталь» (ковка продольная и радиально-сдвиговая прокатка заготовок 060-300 мм, t=900-1100 С), ОАО «Выксунский металлургический завод» (изложницы и слитки 0400-800 мм, =400-1280 С), ОАО «Таганрогский металлургический завод» (прошивка гильз из слитков 0436 мм, t=l 150 С на ТПА с пилъгер-станом), Нижне-Днепровском трубопрокатном заводе (заготовки ж/д колес, 1=800-1250 С) и на кафедре ОМД МИСиС (радиально-сдвиговая прокатка заготовок 010-120 мм, t=950—1200 С). Полученные результаты затем использовались в ряде исследований, проводимых кафедрой ОМД МИСиС [60-67]. Например, тепловизионное исследование ковки на прессах и молотах (рис. 3.8) явно отображает максимум деформации в характерной крестообразной области, что согласуется с имеющимися положениями теории обработки металлов давлением. Причем при ковке изогнутой заготовки на молоте наблюдается несимметричность очага деформации — на диагоналях из левого нижнего угла в правый верхний виден больший деформационный разогрев (рис 3.8, в). Тепловизионный снимок сразу же после рубки позволяет оценить тепловое поле в объеме заготовки (рис 3.8, б). Тепловизионное исследование заготовки на каждом этапе производства при прохождении всей технологической линии позволяет выявить неучтенные теплопотери, проконтролировать соблюдение технологии и определить пути ее совершенствования. Исследование прокатки на ТПА с пильгер-станом [60] показало, что после выдачи из нагревательной печи заготовка имеет равномерную температуру поверхности по длине, равную 1180С. Следует отметить, что для толстостенных гильз и заготовок из-за охлаждения поверхности реальная температура в толще металла на глубине 10-20 мм выше измеренной на 50-70 С. Охлаждение поверхности на пути от печи до прошивного стана составляет около 10 С.
Охлаждение заготовок на входной стороне прошивных станов на протяжении прошивки практически отсутствует, т.к. они имеют большой диаметр, а время прошивки мало, 60 с. После прошивки гильза также имеет равномерное по длине распределение температуры. Внутренняя поверхность гильзы имеет примерно ту же температуру, что и исходный слиток (1150 - 1170 С), а наружная - ниже на 50 С (рис. 3.9). В процессе транспортировки гильзы до пильгер-станов температура наружной поверхности падает на 30-50 С, а внутренняя остается без изменения. Концы гильз охлаждаются на 100—150 С. В процессе введения дорна в гильзу и передачи на линию прокатки пильгер-стана происходит дальнейшее снижение температуры. Общее падение температуры от прошивки до начала прокатки достигает 70 С. За время прокатки температура заднего конца снижается еще на 60 С, к концу прокатки охлаждение составляет - 140-160 С. В процессе пильгерования заготовка испытывает сильный неравномерный деформационный разогрев, это видно по разнице температур (рис. 3.10). Максимальная температура на выходе составляет 1150-1200 С, а минимальная - 800 С. Положительные результаты были достигнуты также при исследовании теплового режима заготовок при производстве железнодорожных колес на ОАО «Выксунский металлургический завод» [61-63] (рис. 3.11). Исследование теплового поля изложниц при разливке стали [64-67] (рис. 3.12) на том же предприятии подтвердило возможность получения качественных термограмм и измерения температуры при ее значении 400 - 600 С, когда излучение в видимой области практически отсутствует. Проведенные исследования показали, что тепловизионные методы исследования процессов горячей обработки давлением обладают очень высокой информативностью; позволяют проводить исследования не только тепловых, то и деформационных параметров обрабатываемого металла, наиболее полноценно контролировать тепловой режим заготовок по всей технологической линии. При этом разработанный в МИСиС способ компьютерного анализа видеоизображения позволяет получить тепловизионные изображения без применения дорогостоящей техники.
Тепловизионное исследование распределения температуры поверхности по длине заготовки
Для проверки методики расчета температурного поля в очаге деформации при радиально-сдвиговой прокатке необходимы экспериментальные данные о характере распределения интенсивности тепловыделения в сечении заготовки. Эту информацию возможно получить тепловизионным способом, описанным в главе 3. Для этого осуществили прокатку заготовок из сплава ВТ-6 диаметром 120 мм с ровным торцом. При прокатке осуществляли непрерывную съемку торца с выходной стороны от момента захвата до выхода из очага деформации. Полученный видеоматериал был преобразован в термограммы. По термограммам определили положение максимума температуры в 4 сечениях вдоль очага деформации и в 2 сечениях после выхода (рис. 4.10). В процессе нагрева заготовки на ее поверхности образовался слой окалины, который разрушался при прокатке. Отстающие от поверхности участки окалины мгновенно охлаждаются и на термограммах выглядят темными. Разрушение начинается с мест, где деформации, а следовательно, и тепловыделение максимальны, что позволяет определить положение максимума температуры (рис. 4.11).
На входе заготовки в очаг деформации при касании валка температура заготовки равномерна. После полного захвата тремя валками наблюдается, что максимум тепловыделения смещается к центру (рис. 4.10, б). Температура центральной части практически не изменилась. В конце обжимного участка деформация максимальна. При этом максимум тепловыделения находится еще ближе к центру (рис. 4.10, в). На выходе из очага деформации уже непосредственно видна перегретая кольцевая зона с повышенной температурой, находящаяся на середине радиуса заготовки (рис. 4.10, г). После выхода картина температуры торца существенно не меняется, наблюдается лишь размывание максимума по сечению за счет теплопроводности и охлаждение поверхности (рис. 4.10, д, е). В результате эксперимента было получены значения положения максимума температуры
Для исследования динамики температуры поверхности по длине заготовки прокатали прутки из сплава ВТ-6 диаметром 100 мм с температурой нагрева 1100-1120 С. При прокатке осуществляли непрерывную видеосъемку заготовок через окно станины и с выходной стороны на станах МИСиС-130 НПЦ кафедры ОМД и РСП-90 ОАО «Электросталь». Полученный видеоматериал был преобразован в термограммы (рис. 4.12).
При контакте с валками происходит локальное охлаждение поверхности, а после выхода раската из очага деформации температура по окружности за счет теплопроводности выравнивается. В процессе радиально-сдвиговой прокатки поверхность заготовки циклически находится в контакте с валками и воздухом. Во время обжатия валками происходит локальное охлаждение поверхности, а в промежутках между ними температура выравнивается за счет теплоотдачи от внутренних слоев (рис. 4.13). Поэтому при прокатке сплавов с узким диапазоном температур горячей деформации, например, жаропрочных ЭП-202, ЭП-220, у которых при уменьшении температуры резко падает пластичность, радиально-сдвиговая прокатка обеспечивает благоприятное тепловое состояние. Периодов между обжатиями в соседних валках недостаточно для полного восстановления температуры поверхности, поэтому при каждом цикле прокатки она падает на 50-100 С, к концу прокатки суммарное падение достигает 250 С. Время полного выравнивания температуры после выхода из очага деформации составляет 1-8 с.
