Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние технологии производства высокоуглеродистой проволоки волочением 6
1.1. Современные направления развития металлургических технологий 6
1.2. Описание технологического процесса изготовления высокоуглеродистой проволоки волочением 8
1.3. Технологические особенности волочения проволоки в монолитных волоках 11
1.4. Факторы, определяющие качество продукции при волочении 16
1.5. Влияние технологических параметров на энергосиловые характеристики процесса волочения 20
1.6. Математическое моделирование технологического процесса изготовления проволоки волочением 22
1.7. Цель и задачи исследования 24
ГЛАВА 2. Совершенствование технологического процесса волочения высокоуглеродистой проволоки 25
2.1. Выбор заготовки для волочения по соотношению "величина суммарного обжатия - содержание углерода" 25
2.2. Разработка методики расчета маршрутов волочения по однородности напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и характеру остаточных напряжений в проволоке 30
2.3. Экспериментальные исследования влияния маршрута волочения на механические свойства проволоки 39
2.4. Температурно-скоростной режим и деформационное старение стали в
процессе многократного волочения 42
Выводы 46
ГЛАВА 3. Автоматизированный расчет ресурсосберегающей технологии изготовления высокоуглеродистой проволоки волочением 47
3.1. Напряжение и усилие при волочении высокоуглеродистой проволоки..47
3.2. Определение влияния технологических параметров очага деформации на энергосиловые характеристики процесса волочения 48
3.3. Разработка программного обеспечения для расчета ресурсосберегающей технологии изготовления высокоуглеродистой проволоки 55
3.4. Проверка адекватности математической модели 68
Выводы 69
ГЛАВА 4. Разработка ресурсосберегающих технологий волочения высокопрочной углеродистой проволоки 70
4.1. Технология изготовления арматурной проволоки диаметром 3,0 мм из сорбитизированной катанки диаметром 6,50 мм 70
4.2. Технология изготовления арматурной проволоки диаметром 3,0 мм из сорбитизированной катанки диаметром 5,50 мм 76
4.3. Технология изготовления пружинной проволоки второго класса по ГОСТ
9389-75 из сорбитизированной катанки диаметром 5,5 мм 82
Выводы 89
Заключение и основные выводы по диссертации 90
Литература
- Технологические особенности волочения проволоки в монолитных волоках
- Разработка методики расчета маршрутов волочения по однородности напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и характеру остаточных напряжений в проволоке
- Определение влияния технологических параметров очага деформации на энергосиловые характеристики процесса волочения
- Технология изготовления арматурной проволоки диаметром 3,0 мм из сорбитизированной катанки диаметром 5,50 мм
Введение к работе
Высокоуглеродистая проволока массово применяется в промышленности при изготовлении канатов, пружин, арматуры для предварительно-напряженного железобетона и т.д. Эти изделия являются ответственными деталями сложных машин и конструкций, в связи с чем повышение конкурентоспособности этой проволоки, определяемой рациональным соотношением качества и цены, является сегодня актуальной задачей.
Технологический процесс изготовления высокоуглеродистой проволоки включает в себя операции подготовки структуры и поверхности к деформации, холодную пластическую деформацию, специальные и отделочные операции. Основным способом обработки металлов давлением, применяемым при изготовлении проволоки, на сегодняшний день, является волочение в монолитных волоках.
Совершенствованию процесса волочения уделяется большое внимание во многих институтах и промышленных предприятиях как у нас в стане, так и за рубежом. При этом основное внимание направлено на повышение качества катанки, снижение контактного трения, повышение качества инструмента, создание нового мощного волочильного оборудования.
Основной проблемой при производстве проволоки из высокоуглеродистых марок стали, и по сегодняшний день, остается получение высокой пластичности при повышенной прочности металла. Существующая технология волочения высокоуглеродистой проволоки не всегда позволяет получать проволоку с одновременно высокими прочностными и пластическими свойствами и достаточно часто высокопрочная проволока бракуется именно из-за преждевременной потери пластичности и расслоения. Одной из основных причин этому является высокий уровень остаточных напряжений в проволоке сформированных в процессе волочения. Особенно ярко это проявляется на проволоке больших диаметров.
Получившее в последнее время широкое распространение применение сорбитизированной с прокатного нагрева катанки, даже при снижении диаметра до 5,5 мм, позволяющего повысить качество сорбитизации, еще более усугубляет эту проблему, так как по однородности свойств катанка, сорбити-зированная с прокатного нагрева, к настоящему времени, уступает катанке после классического патентирования. Поэтому при обработке сорбитизированной катанки требования к режимам волочения еще более высокие.
Свойства проволоки формируются в очаге деформации и зависят от его параметров, которые, в свою очередь, определяют и энергетические затраты на осуществление процесса. Зависимости эти многофакторные, а действие факторов на характеристики качества и затраты зачастую противоположны. При выборе технологических режимов изготовления проволоки необходимо в первую очередь гарантировать получение качественной продукции, а выполнив это условие минимизировать энергосиловые затраты на процесс. Все это предопределяет сложность управления технологическим процессом изготовления проволоки и выбора рациональных режимов, обеспечивающих получение проволоки заданного уровня качества при снижении затрат на ее изготовление. Возможность математического моделирования технологии, в основу которого заложены современные знания по вопросам формирования физико-механических свойств высокоуглеродистой проволоки и энергосиловых параметров процесса, представляет собой довольно мощный инструмент технолога, ускоряющий расчет ресурсосберегающей технологии изготовления высокопрочной углеродистой проволоки.
Технологические особенности волочения проволоки в монолитных волоках
Процесс волочения осуществляется путём приложения переднего тянущего усилия к заготовке, которое создаёт благодаря эффекту клина необходимую для деформации металла поперечную силу и обеспечивает протягива ние металла через неподвижную волоку, рабочая часть, которой имеет форму конуса [18,19]. На поверхности раздела "металл - волока" действуют контактные силы трения, направленные против движения металла. При волочении необходимая для деформации поперечная сила Q создается при помощи внешнего усилия волочения Р (рис. 1.1).
. Равновесие сил в волочильном канале по Е. Зибелю: Fo - поперечное сечение на входе; Fi - поперечное сечение на выходе; do- входной диаметр; di - выходной диаметр; а - угол наклона (рабочий полуугол волоки); т - касательное напряжение (напряжение трения); gm- среднее давление на плоскость (удельное нормальное давление); р - угол трения; Z — усилие волочения; Q - поперечная сила
Поперечная сила Q, в результате наклона деформирующей зоны волочильного инструмента, а также трения между поверхностями проволоки и волоки, действует в нормальном направлении поверхности рабочий зоны волоки под углом (а+р). В соответствии с приведенным треугольником сил, создается следующее соотношение: Р = Qsin(a + р); Р — Ntg(a + р).
На основе эффекта клина, который на практике создается от угла волочения а = 8-18 и действующего угла трения р 3 (при достаточной смазке), соотношение силы волочения и нормальной силы меняется от 1:4 до 1:7, т.е. нормальная сила равняется четырех — семикратному усилию волочения.
Волочение имеет разноименную схему главных напряжений и симметричную схему главных деформаций, которая характеризуется высоким к.п.д. деформации и пониженным расходом энергии. Растягивающее напряжение Gi способствуют охрупчиванию металла при волочении, а максимально до пустимая величина предела текучести (прочности) ограничивает степень деформации за переход. Сжимающие напряжения о и о вызывают внешнее трение в канале волоки. По условию пластичности при волочении сплошных круглых тел соотношение между главными напряжениям выражается зависимостью: аг У2 Ст.
Симметричная схема деформации способствует ускоренному образованию волокнистой структуры в проволоке.
Деформация происходит в относительно коротком очаге длиной / /. Характерной геометрической величиной для очага деформации является угол конусности или соотношение iydcp-2lg(do+di). В процессе волочения не происходит изменения во времени напряжений и деформаций, т.е. он является стационарным. Слои металла перетекают из радиального в осевое направление. Это определяет нестационарный характер скорости деформации в очаге деформации. Средняя скорость деформации при волочении принимает значение в интервале от 10і до 105 с 1 и повышается с уменьшением диаметра проволоки и длины очага деформации.
Уровень средних контактных напряжений при волочении, определяющий требования к инструменту и качество проволоки, довольно высок. Максимальных значений контактные напряжения достигают при увеличении значения угла волоки и уменьшении обжатия. Значения относительных контактных напряжений могут составлять 2+Зсгср.
Напряжение волочения количественно зависит от двух групп факторов. С одной стороны, от группы факторов "изделие", которое учитывает механические свойства проволоки, например предел текучести. Эта группа является основополагающей в процессе волочения, так как на неё не влияет применённая технология. С другой стороны напряжение волочения зависит от группы факторов, "процесс" в которую входит геометрия деформирующего инструмента, контактное трение, обжатие, скорость волочения. При изменении условий волочения напряжение волочения может легко удвоиться и в крайних случаях повыситься в три, четыре раза. Это значительное повыше 14 ниє напряжения волочения часто является причиной разрушения проволоки в процессе волочения [7]. Напряжение волочения растёт с повышением прочности проволоки и величины обжатия.
Работа деформации при волочении, как и при других процессах деформации, повышает энтальпию металла. В процессе деформации часть тепла переходит в волоку, а в деформируемом металле формируется неравномерное температурное поле. При этом на выходе из очага деформации поверхностные слои металла имеют температуру значительно более высокую, чем внутренние. Повышение температуры зависит от механических свойств материала, условий трения на контактной поверхности, скорости волочения. Нагрев металла от работы деформации и трения достаточно высок, поэтому необходимо предусматривать охлаждение проволоки (косвенное или прямое). Волочильные смазки должны быть стойкими в области температур волочения.
При волочении сила трения металла о поверхность волоки повышает деформирующее усилие и уменьшает возможную степень деформации, приводит к повышению расхода энергии на деформацию, неравномерности деформации. Поэтому при волочении большое влияние имеют мероприятия по уменьшению коэффициента трения [20]. Но и в этом случае до выхода на установившийся режим волочения проблемы трения остаются, т.к. в начальный момент волочение осуществляется практически при полном отсутствии смазки в очаге деформации [7].
Разработка методики расчета маршрутов волочения по однородности напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и характеру остаточных напряжений в проволоке
Анализ полученных результатов показывает, что при волочении в монолитной волоке в очаге деформации напряженное состояние характеризуется высокой неравномерностью. Высокую неравномерность распределения по сечению проволоки имеют и остаточные напряжения.
Модель позволяет вести расчет режимов волочения проволоки с оценкой характера распределения напряжений в очаге деформации и остаточных на 33 пряжений в готовой проволоке в зависимости от изменения величины обжатия, рабочего угла волоки и величины коэффициента трения. С помощью модели можно с достаточной точностью выбрать режимы волочения проволоки, обеспечивающие желаемое распределение в ней остаточных напряжений. Модель вошла составной частью в программу "Автоматизированный расчет ресурсосберегающих маршрутов волочения высокоуглеродистой проволоки". Однако, для повышения оперативности желательно иметь методы, которые позволили бы выбирать или корректировать маршруты волочения, обеспечивающие получение проволоки с благоприятным распределением остаточных напряжений. При этом важно не сильно усложнить применяемые сегодня в практике способы расчета маршрутов волочения. Для оценки равномерности деформации по сечению проволоки получил распространение (правда, больше в зарубежной практике) показатель А, называемый часто показателем Бэкофена, определяемый для круглой проволоки по соотношению [78]: Д = а/г(1 + лД-г )2, (2.12) где а - полуугол волоки, рад; г = 1 - (d} /d0) - степень деформации.
Известно также [79-81], что при значении Д=1, деформация распределяется равномерно по сечению проволоки, при А 1 деформация сосредотачивается в поверхностных слоях проволоки, не проникая в ее центральные слои; при А 1 деформация охватывает все сечение проволоки, но при этом центральные слои деформируются интенсивнее, чем поверхностные.
По вышеприведенной методике с использованием разработанной модели провели расчет осевых остаточных напряжений при значениях величин обжатий и рабочих углов волок, которые обеспечили получение значений показателя А равного 1,0; 0,5; 1,5. Результаты расчета приведены в табл.2.1. Таблица 2.1
Зависимость величины остаточных осевых напряжений от параметра формы А при / = Единичная степень деформации, % Угол волокна, Параметр формы Af=0 Остаточныеосевыенапряжения вповерхностномслое, МПа 17% 6 1 0,3 25% 8 1 0,8 30% 10 1 0,3 35% 12 1 0,2 35% 6 0,5 -136 17% 12 1,5 320
Как следует из результатов табл.2.1 при А=1 остаточные осевые напряжения на поверхности проволоки близки к нулю. При А =0,5 на поверхности проволоки формируются сжимающие остаточные осевые напряжения, а при А=1,5 - растягивающие. Это подтверждается данными, полученными в работах [38,82].
Таким образом, можно управлять величиной осевых остаточных напряжений, изменяя соотношение рабочего угла волоки и единичной степени деформации.
В отечественной практике волочения проволоки при расчете маршрутов волочения принято определять величину единичного обжатия при заданном угле волоки, поэтому целесообразно для расчета степени деформации в зависимости от угла волоки использовать соотношение [83]: є = 1 1-а V (2.13) где а - полуугол волоки, рад; є- степень деформации. Однако в этом соотношении не учитывается значение коэффициента трения, а оно, как известно, оказывает влияние на неравномерность деформации по сечению проволоки.
Учесть влияние коэффициента трения можно по выражению [84]: (р = arctg(tga + f)&y, (2.14) где ср - угол /- коэффициент трения.
Подставляя (2.9) в (2.8) получим выражение для определения степени деформации с учетом изменения рабочего угла волоки и коэффициента трения c_j (1 - arctg(tga + f )У [l + arctg(tga + f)J Обжатие, определенное по соотношению (2.10) обеспечивает равномерную деформацию (А=1). Для получения сжимающих напряжений в поверхностном слое (Л 1) обжатия следует выбирать из условия V (2.16) є 1 1 - arctg(tga + f) l + arctg(tga + f) Для получения растягивающих напряжений (А 1) должно выполняться условие s 1Jl-arctg(tga + f)Y (2л?) {1 + arctg(tga + f))
Для учета влияния контактного трения необходимо знать его достоверную величину. Для определения значений коэффициента трения нами проведены экспериментальные исследования в промышленных условиях, подробно описанные в работах [85,86].
Определение влияния технологических параметров очага деформации на энергосиловые характеристики процесса волочения
Методика выбора маршрутов волочения, разрабатываемая в настоящей работе отличается тем, что выбор технологических параметров осуществляется исходя из принципа получения проволоки с высокими пластическими свойствами при минимальном расходе электроэнергии на процесс волочения.
Для получения высоких пластических свойств высокоуглеродистой проволоки необходимо пластическую деформацию волочением вести с минимально возможной неравномерностью по сечению. Для выбора технологических параметров, позволяющих снизить неравномерность деформации по сечению воспользуемся соотношением (2.15).
Для определения напряжения волочения наиболее приемлемой для данной математической модели, на наш взгляд, является формула Кеербера — Эйхингера [94]: ?вол = ?т [(1 + 5)-ln/u + 0,77tga], (3.1) где УТ - средний предел текучести металла в очаге деформации; /і- коэффициент вытяжки; а - полуугол волочения; 5 = f/tga - средний коэффициент, учитывающий условия трения в очаге деформации.
При волочении стальной углеродистой проволоки (патентированной и нормализованной) и сорбитизированной катанки для расчетов прочности наиболее приемлема эмпирическая формула (2.3). Для определения прочности высокоуглеродистой патентированной заготовки нами использовалась уточненная формула (2.1). Определение прочности сорбитизированной заготовки осуществляли по формуле (2.2). Усилие волочения определяем как: где F, — площадь сечения после і-ой протяжки. Мощность волочения определяем как: W,=PrV,; (3.3) где V{ — скорость волочения через і-ую волоку; Р{ — усилие волочения; Коэффициент запаса прочности определяют как: Г/=—- (3.4) Gвол, и принимаем равным 1,5 [55]. Результаты расчета должны удовлетворять условиям: где [уJ J - допустимый запас прочности для данного типоразмера проволоки; [Р; J - допустимая сила волочения по паспорту стана; [W; J - установленная на стане мощность двигателей (по паспорту стана).
В главе 2 показано, что для снижения неравномерности деформации по сечению проволоки необходимо угол волоки согласовывать с величиной единичной степени деформации при учете значения коэффициента трения, однако возникает вопрос: чем с точки зрения энергозатрат эффективнее достигать снижения неравномерности по сечению снижением угла волоки или повышением обжатия. Для получения научнообоснованного ответа на этот вопрос, необходимо составить математическую модель для расчета мощности и работы при волочении проволоки в монолитной волоке. Мощность электрической энергии Рдв, преобразуемая электродвигателем в механическую энергию Nde и подводимая посредством редуктора к барабану волочильного стана, расходуется на преодоление следующих сил (см. рис.3.1): - силы, осуществляющей основную пластическую деформацию - формоизменение проволоки; - силы, затрачиваемой на преодоление трения между проволокой и поверхностью рабочей части волоки; - силы, осуществляющей дополнительную пластическую и упругую деформации; - силы, преодолевающей противонатяжение проволоки при его наличии. Мощность Ыф, осуществляющая основную пластическую деформацию, называется мощностью чистой деформации и может быть определена из формулы Финка [95], записанной для работы чистой деформации: Аф=&5 всм (3-5) где as - предел текучести деформируемого металла; вш - величина смещенного объема, определяемого как: In —- - интегральный показатель степени деформации; dK dh, dK - диаметр проволоки до и после волоки соответственно;
Технология изготовления арматурной проволоки диаметром 3,0 мм из сорбитизированной катанки диаметром 5,50 мм
Как видно из табл.4.8, проволока, получаемая по рекомендуемой техно логии, имеет показатели Кзт и Крт выше, чем цеховая, что говорит о по вышенной трещиностойкости проволоки, полученной по рекомендуемой технологии. Кроме того, следует отметить, что математическое моделирова ние энергосиловых параметров показало, что и с точки зрения энергозатрат наиболее экономичным является маршрут волочения 6,50-і 5,60- -+4,80- Применение предлагаемой в настоящей работе технологии переработки сор-битизированной катанки диаметром 6,5 мм под арматурную проволоку диаметром 3,0 мм позволяет снизить количество проволоки несоответствующей требованиям ГОСТ 7348-81 и ТУ 1681-91 по величине относительного удлинения и расслаиваемости. При этом расход электроэнергии на процесс волочения проволоки снизился на 5 кВт/ч, что составляет 3,5 %.
Для количественной оценки конкурентоспособности воспользуемся методикой изложенной в работе [1], согласно которой индекс сравнительной конкурентоспособности продукции, определяется по соотношению: j Jnl/Jn2 Р1/Р2 где JK - индекс сравнительной конкурентоспособности двух видов продукции (товара). Если индекс конкурентоспособности меньше 1, то продукция с индексом "1" неконкурентоспособна и наоборот. Jп 1 - качественные характеристики продукции с индексом "1". J п2 - качественные характеристики продукции с индексом "2". Р1 и Р2 - цены (себестоимости) соответственно продукции "1" и "2". Индекс сравнительной конкурентоспособности может быть определен по соотношению: J к = J п J 3 где Jп - индекс полезности товара (качества продукции); J3 - индекс затрат.
Индекс затрат определяется как произведение отношений значений показателей качества сравниваемых видов продукции. Присвоим проволоке, изготовленной по предлагаемому режиму индекс "1", а заводскому режиму индекс "2", тогда
Энергетические затраты при производстве "экспериментальной" проволоки ниже на 3,5 %. Примем индекс затрат равным 0,996. Тогда индекс конкурентоспособности будет равным JK= 1,46.
4.2. Технология изготовления арматурной проволоки диаметром 3,0 мм из сорбитизированной катанки диаметром 5,50 мм
Рассмотрим возможность изготовления арматурной проволоки из сорбитизированной катанки диаметром 5,50 мм на основе моделирования процесса волочения и оценим его эффективность с точки зрения энергозатрат.
Для выбора ресурсосберегающего маршрута волочения проволоки из заготовки 5,50 мм (сталь 85) произведем расчет параметров процесса волочения проволоки по маршрутам различной кратности, выбранных по методике обеспечивающей снижение неравномерности деформации по сечению проволоки. Следует отметить, что марка стали выбрана по соотношению "диаметр - содержание углерода", рассматриваемому в главе 2. В данном случае отрицательное влияние повышения содержания углерода на пластические свойства стали компенсируется снижением диаметра заготовки и повышением равномерности деформации по сечению проволоки.
Расчет параметров волочения по шестикратному маршруту волочения проволоки диаметром 3,00 мм из заготовки 5,50 мм приведен в табл.4.9. Температурный режим волочения представлен в табл.4.10.
Результаты моделирования процесса волочения в 5, 4 и 3 прохода приведены в табл. 4.11, 4.13 и 4.15. Температурные режимы отражены в табл. 4.12, 4.14 и 4.16. Следует обратить внимание на то, что в последнем проходе соотношение обжатия и рабочего угла волоки выбирается из принципа А 1,что положительно отражается на трещиностойкости проволоки.
Применение трехкратного маршрута на существующем в ОАО "БМК" волочильном оборудовании требует снижения скорости волочения, что негативно отражается на производительности, а следовательно, и на энергопотреблении при волочении (см. столбик 4 рис. 4.1) . Кроме того, при четырехкратном маршруте волочения проволоки следует использовать волоки с рабочим углом 8, что не вызывает трудностей, так как изготовление волок с таким рабочим углом волок практикуется в условиях ОАО "БМК" для проволоки диаметром менее 4,00 мм. Четырехкратный маршрут волочения, т.е. использование обжатий 25-30 % может несколько снизить временное сопротивление разрыву проволоки по сравнению с проволокой полученной при обжатиях 20-25 %. Связано это с тем, что при снижении неравномерности деформации по сечению проволоки уменьшается локализация деформации.
Оценка температуры проволоки в процессе волочения показала, что при любом из рассмотренных маршрутов волочения значения температуры проволоки на выходе из последней волоки превышают 300 С, что говорит о необходимости ее охлаждения перед смоткой на катушку.
4.3. Технология изготовления пружинной проволоки второго класса по ГОСТ 9389-75 из сорбитизированной катанки диаметром 5,5 мм
Математическое моделирование технологии изготовления высокопрочной углеродистой может быть использовано для выбора ресурсосберегающих режимов изготовления любой высокоуглеродистой проволоки (пружинной, канатной) в том числе и передельного размера.
Проведем математическое моделирование процесса волочения пружинной проволоки и предложим режимы волочения, которые позволят получить проволоку с высокими механическими свойствами, несклонную к расслоению при условии минимального расхода электроэнергии на процесс волочения. В табл.4.17 приведены требования к готовой пружинной проволоке по пределу прочности [101].
