НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ЛАПЕНКО СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.771:746.5

РОЗРОБКА МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ ТА ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ МЕТАЛУ В КРИВОЛІНІЙНИХ МАШИНАХ БЕЗПЕРЕРВНОГО РОЗЛИВУ ЗАГОТОВОК

Спеціальність 05.03.05“

Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Міленін Андрій Анатолійович, професор кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук Тілік Василь Трохимович, зав. лаб. прокатного виробництва ВАТ “Запоріжсталь”, м. Запоріжжя;

- кандидат технічних наук, доцент Смірнов Євген Миколайович, доцент кафедри обробки металів тиском Донецького Національного технічного університету, м. Донецьк.

Провідна установа:

Дніпродзержинський державний технічний університет (кафедра обробки металів тиском) Міністерства освіти і науки України, м. Дніпродзержинськ.

Захист відбудеться “ 26 ”     червня     2007 р. о    30    годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “          травня           2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

А.М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки спостерігається підвищення вимог до якості блюмових та слябових заготовок, розлитих на машинах безперервного розливу заготовок (МБРЗ). Одним з ефективних способів рішення даного завдання є застосування механічного “м'якого” обтиску заготовки при наявності в ній рідкої фази металу, що дозволяє підвищити якість заготовки шляхом зменшення осьової пористості й ліквації. Впровадження раціональних технологій розливу з “м'яким” обтиском обмежується відсутністю теоретично обґрунтованих методів розрахунку параметрів прикладення “м'якого” обтиску, враховуючих термомеханічні процеси, що відбуваються в металі.

Існуючі до наявної роботи методи розрахунку не враховують впливу спільної деформаційної та теплової історії металу на просторовий термонапружений (напружено-деформований та тепловий) стан заготовки від розливу до виходу з лінії МБРЗ та деформування металу в декілька прийомів при наявності в перетині рідкої фази.

Ускладнює поставлену задачу також відсутність експериментальних даних щодо рівня напружень, які виникають за деформаційних та теплових умов технологічного процесу “м'яких” обтисків в криволінійних МБРЗ, що не дозволяє визначити вагомі складові процесу та теоретично обґрунтувати структуру методу розрахунку. Окрім того, модель властивостей матеріалу повинна враховувати температурні та деформаційні умови, в яких перебуває метал – температури від 800 С до температури солідус, швидкості деформації 10-3..10-1 с-1. Обмеженість даних щодо механічних властивостей при температурах, наближених до солідусу, та швидкостях деформації, близьких до 10-3 с-1, потребує їх уточнення.

Вищезгадане не дозволяє в загальному випадку отримувати теоретичні залежності впливу параметрів прикладення “м'яких” обтисків на просторовий термонапружений стан заготовки. Внаслідок цього впровадження раціональних технологій розливу з “м'якими” обтисками потребує значних витрат на попередні дослідження за умов конкретної МБРЗ та обмежує використання отриманих залежностей при зміні типорозміру заготовки, марки сталі, параметрів розливу тощо.

Таким чином, робота, спрямована на розробку теоретично обґрунтованого методу розрахунку просторового термонапруженого стану металу в криволінійних блюмових та слябових МБРЗ за умов “м'якого” обтиску для аналізу процесів пластичної деформації заготовки та визначення оптимальних параметрів прикладення “м'якого” обтиску з метою підвищення якості заготовки, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Виконання дисертаційної роботи пов'язане з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконані відповідно до тематик держбюджетних і госпдоговірних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ (ДР № 0100U000768, ДР № 0103U003217, ДР № 0103U002285). Автор був виконавцем зазначених робіт. Експериментальні дослідження проводилися в рамках співробітництва між НМетАУ й Ченстоховським технічним університетом, м. Ченстохова, Польща (Договір від 01.10.2002 р.).

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є розробка теоретично обґрунтованого методу розрахунку просторового термонапруженого стану безперервно-розлитої заготовки в криволінійних блюмових та слябових МБРЗ за умов “м'якого” обтиску з урахуванням термомеханічних процесів, що відбуваються в металі під час розливу, для аналізу процесів пластичної деформації металу у МБРЗ та визначення оптимальних величин часткових обтисків та позиції прикладення “м'якого” обтиску, що дозволяє підвищити якість безперервно-розлитих заготовок.

Для досягнення поставленої мети були сформовані наступні завдання:

- розробити метод розрахунку просторового термонапруженого стану металу в криволінійних МБРЗ за умов “м'якого” обтиску, з урахуванням термомеханічних процесів, що відбуваються в металі під час розливу;

- експериментально оцінити вплив на напружений стан металу факторів розливу з “м'яким” обтиском в умовах криволінійної МБРЗ;

- розширити дані про реологічні властивості сталей за умов температур, наближених до солідусу, та швидкостей деформації, близьких до 10-3 с-1;

- теоретично визначити вплив величини часткових обтисків і позиції прикладення обтиску на просторовий термонапружений стан металу, визначити оптимальні параметри прикладення “м'якого” обтиску за умов криволінійних слябової та блюмової МБРЗ.

Об'єкт дослідження процес пластичної деформації металу в криволінійних МБРЗ.

Предмет дослідження закономірності та методи розрахунку просторового термонапруженого стану металу в криволінійних блюмових та слябових МБРЗ за умов “м'якого” обтиску.

Методи дослідження теоретичні дослідження базуються на фундаментальних положеннях теорії обробки металів тиском. Для теоретичного опису термомеханічного стану металу при формозміні в МБРЗ використаний метод кінцевих елементів (МКЕ). При тестуванні розробленого методу використані відомі експериментальні дані та аналітичні рішення. При проведенні досліджень були використані методи планування експерименту та статистичні методи обробки експериментальних даних.

Наукова новизна. Наукову новизну представляють наступні найбільш вагомі результати роботи.

1. Вперше запропоновано метод розрахунку просторового термонапруженого стану металу в криволінійних блюмових та слябових МБРЗ за умов “м'якого” обтиску.

Запропонований метод розрахунку відрізняється урахуванням спільного впливу “м'якого” обтиску, вигину й розгину заготовки, кристалізації і теплових навантажень, феростатичного тиску у тривимірній постановці.

Це дає можливість створення теоретично обґрунтованих раціональних технологій безперервного розливу з “м'якими” обтисками.

2. Одержали подальший розвиток експериментальні дослідження реологічних властивостей сталей за умов температур, наближених до солідусу, та швидкостей деформації , наближених до 10-3 с-1.

Дослідження відрізняються температурними та деформаційними умовами (температури 1200 – 1350 С, швидкість деформації 10-3, 10-2 с-1).

Це дало можливість моделювання деформаційних процесів при наявності напіврідкої фази металу.

3. Вперше за умов безперервного розливу з “м'якими” обтисками на криволінійній слябовій МБРЗ розрахунково-експериментальним методом отримано дані щодо величини та співвідношення напружень, котрі виникають у безперервно-розлитій заготовці.

Дослідження відрізняються урахуванням теплового та деформаційного стану заготовки.

Це дозволило обґрунтувати необхідність введення в модель напружень та деформацій складових, враховуючих “м'який” обтиск, вигин та розгин заготовки, кристалізацію та теплові навантаження.

4. Отримано нові теоретичні залежності впливу параметрів прикладення обтиску на просторовий термонапружений стан металу при безперервному розливі з “м'якими” обтисками за умов криволінійних слябової та блюмової МБРЗ.

Отримані залежності відрізняються урахуванням впливу величини часткових обтисків та позиції прикладення обтиску на термонапружений стан металу.

Це дозволило запропонувати теоретично обґрунтовані раціональні параметри прикладення “м'якого” обтиску.

Практичне значення отриманих результатів.

Алгоритми й результати досліджень, розроблені в дисертації, покладені в основу пакета кінцево-елементних програм по моделюванню просторового термонапруженого стану металу в криволінійних МБРЗ за умов “м'якого” обтиску.

Програмне забезпечення й результати моделювання процесу безперервного розливу використано: – на Республіканському унітарному підприємстві “РУП БМЗ” (м. Жлобін, Республіка Бєларусь) при розробці раціональних режимів розливу заготовок 300х400 мм в умовах МБРЗ-3 (акти про приймання науково-технічної продукції від 3.12.2002, 30.06.2003, 6.04.2004 р.р.); – на факультеті Інженерії матеріалів, обробки й прикладної фізики Ченстоховського технічного університету при читанні лекцій у рамках курсів “Моделювання процесів ОМТ” й “Метод кінцевих елементів”; – при теоретичному аналізі напружено-деформованого стану металу при розливі заготовок 225х1500 мм спільно з фахівцями металургійного заводу Huta Stali Czestochowa (м. Ченстохова, Польща) у рамках дослідницького проекту “The modeling and optimization of thermo-mechanical state of steel during continuous casting process in order to decrease crack forming” (акт впровадження результатів роботи 0012/14.05.2005) ); – на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при читанні лекцій у рамках курсу “Машино-орієнтовані методи розрахунку процесів ОМТ”, а також при виконанні студентами дипломних проектів і випускних магістерських робіт (довідка від 22.11.2006 р.).

Цінність також представляють результати досліджень механічних властивостей (криві опору деформації та зміни довжини) сталей 20, 45, 40Х, 75РМЛ, ШХ15, що дає можливість більш точного завдання вхідних даних при моделюванні процесів пластичної деформації металу в МБРЗ.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, проведених автором. У процесі виконання роботи здобувач спланував та провів експериментальні й теоретичні дослідження, а також виконав аналіз й узагальнення результатів. Публікації відображають дослідження, проведені автором.

У теоретичній частині роботи автором виконана модифікація функціонала варіаційного принципу Лагранжа в частині урахування деформацій і напружень від “м'якого” обтиску.

В експериментальній частині роботи автор брав участь у плануванні, проведенні й обробці даних пластометричних та ділатометричних випробувань сталей, а також у розрахунково-експериментальних дослідженнях деформаційних процесів при розливі з “м'якими” обтисками на криволінійній слябовій МБРЗ.

Особистий внесок у спільних публікаціях (згідно переліку опублікованих робіт): [1], [8], [9] – підготовка та проведення чисельного експерименту; [2], [10], [11] – підготовка даних, проведення, обробка та аналіз результатів досліджень; [3] – аналіз літературних даних, обробка та узагальнення результатів розрахунку; [4] – підготовка даних для тестування математичної моделі і перевірка адекватності її роботи; [5] – проведення експериментальних досліджень та підготовка даних для моделювання; [6][7], [12] – постановка завдання, організація досліджень, обробка та аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися на науково-технічній конференції “Перспективні технології та обладнання обробки тиском у металургії та машинобудуванні” (м. Краматорськ, 2000 р.); науково-технічній конференції “Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (Краматорськ-Слов'янськ, 2001 р.); на 6-й Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); на науково-технічній конференції “Проблеми й перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (Краматорськ-Хмельницький, 2002 р.); на науково-технічній конференції “Нові досягнення й перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2003 р.); на об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ й Інституту моделювання й автоматизації процесів пластичної деформації Ченстоховського технічного університету (м. Ченстохова, 2003 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції ESAFORM 2003 (м. Салерно, 2003 р.), на науково-технічній конференції “Удосконалювання процесів й устаткування обробки тиском у машинобудуванні й металургії” (м. Краматорськ, 2004 р.); на 7-й Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (м. Дніпропетровськ, 2005 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Теория и технология процессов пластической деформации” (м. Москва, 2005 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Nowe Technologie i Osi№gniкcia w Metalurgii i Inїynierii Materiaіowej” (м. Ченстохова, 2005 р.); на науково-технічній конференції “Сучасні методи моделювання процесів обробки матеріалів тиском” (м. Краматорськ, 2006 р.); на об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ й прокатних відділів ІЧМ НАН України (2002-2006 р.р.).

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковано у 7 фахових виданнях, додаткові - у 5 статтях в інших виданнях.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів і висновків. Вона викладена на 124 сторінках, у тому числі на 102 сторінках основного тексту, містить: таблиць – , рисунків – , список використаних джерел з 116 найменувань, додатків – .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні наведена загальна характеристика проблем, що виникають при розробці та реалізації у промислових умовах технології “м'яких” обтисків, при моделюванні процесів пластичної деформації металу в МБРЗ з урахуванням “м'яких” обтисків, обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета й завдання дослідження, представлені наукова новизна й практична цінність отриманих результатів, особистий внесок здобувача та апробація результатів роботи, наведені дані про публікації й структуру дисертації.

СТАН ПИТАННЯ

У розділі розглянуто основні проблеми, що виникають при математичному моделюванні процесу безперервного розливу з “м'якими” обтисками. Виконано аналіз існуючих методів розрахунку процесів пластичної деформації металу в МБРЗ, у тому числі – за умов “м'яких” обтисків. Відзначено недостатність експериментальних даних щодо реологічних властивостей сталей за умов МБРЗ (високі температури, низькі швидкості деформації). Визначено основні напрямки досліджень щодо розробки методу розрахунку процесу пластичної деформації металу в криволінійних блюмових і слябових МБРЗ за умов “м'яких” обтисків.

РОЗРОБКА МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ ТЕРМОНАПРУЖЕНОГО СТАНУ МЕТАЛУ В КРИВОЛІНІЙНИХ МБРЗ ЗА УМОВ “М'ЯКИХ” ОБТИСКІВ

В розділі зазначено, що час отримання повного тримірного рішення вельми значний. Використання суто двомірної моделі навпаки дає високу швидкість рішення, але не дозволяє враховувати вплив інструменту МБРЗ. Запропонований метод заснований на спільному рішенні теплової та механічної задачі у квазі-тривимірній постановці за допомогою МКЕ, тип кінцевих елементів – ізопараметричні 6-вузлові квадратичні трикутники. Алгоритм заснований на послідовності рішень плоских задач, що відповідають проходженню перетину металу зі швидкістю розливу через МБРЗ.

При рішенні теплової задачі зневажаємо градієнтами температури в напрямку руху металу. При рішенні механічної задачі використовувалося узагальнене плоско-деформоване формулювання.

Для моделювання теплових процесів було використано рівняння теплопровідності, модифіковане за методом ефективної теплоємності: |

(1)

де щільність сплаву (кг/м3); t – температура (K); час (с); – коефіцієнт теплопередачі (Вт/м; – ефективна теплоємність (Дж/кг |

(2)

де tL, tS – температури ліквідус та солідус сплаву; L – приховане тепло кристалізації сплаву (Дж/кг); fL, fS – частка твердої та рідкої фази, fL,=1–fS ; cL, cS  теплоємність рідкої та твердої фаз; cf – теплоємність у температурному інтервалі кристалізації: |

(3)

Для одержання рішення рівняння (1) було використано варіаційне формулювання модифікованого рівняння теплопровідності.

Тестування теплової моделі було виконано по експериментальним даним досліджень температурного поля зливку, отриманим на МБРЗ-3 РУП БМЗ науковцями під керівництвом проф. В.І. Тимошпольського. Відхилення розрахункових даних від експериментальних становить 2,0..8,2Результати тестування довели адекватність теплової моделі.

Модель розвитку напружень та деформацій заснована на використанні умови мінімуму модифікованого функціонала варіаційного принципу Лагранжа: |

(4)

де i – прирощення інтенсивності деформацій (пружних та пластичних), V– об’єм металу; – коефіцієнт теплового розширення (стиску); t – зміна температури за даний інтервал часу; pf – феростатичний тиск; n,  – повні нормальні та дотичні напруження на поверхні; un, u – прирощення нормальних та дотичних зміщень; K – наведений коефіцієнт об'ємного стиску, обчислений за формулою: |

(5)

де 0, 0 – повна (сумарна накопичена до даного моменту) величина деформації об'ємного стиску та її прирощення, K – модуль об'ємного стиску, E  – наведений модуль пластичності (визначається аналогічно до методу січного модуля А.А. Ілюшина): |

(6)

де s – напруження плинності матеріалу за даних умов деформування.

Урахування “м’якого” обтиску, вигину й розгину заготовки, термічних напружень здійснювалось на основі рівнянь (4)-(6). “М’який” обтиск задано величиною un у четвертому доданку функціоналу (4); витиснення рідкої фази металу враховано введеною у третій доданок функціоналу (4) величини fL. Вигин та розгин заготовки реалізовано як приріст деформації між перетинами в напрямку довжини заготовки (величина z задана у вигляді лінійного розподілу по висоті, виходячи з положення перетину та розташування роликів МБРЗ). Релаксація виникаючих напружень враховується реологічною кривою матеріалу.

Тестування моделі розвитку напружень та деформацій було виконано по відомим аналітичним рішенням. Результати чисельних розрахунків з високою точністю відповідають аналітичним рішенням.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ДІЛАТОМЕТРИЧНИХ ТА РЕОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛЕЙ В УМОВАХ МБРЗ

Експериментальні дослідження по визначенню дилатометричних (відносне подовження t) та реологічних (опір деформації s) властивостей сталей 20, 45, 40Х, 75РМЛ, ШХ15 було проведено на пластометрі-ділатометрі DIL 805 A/D. Діаметр зразків – 5,0 мм, довжина – 10,0 мм.

Ділатометричні дослідження проводилися в інтервалі температур 20..1100 С, швидкість зміни темпера-тури становила 3 С/сек. Це дозволило урахувати алотропічні перетворення в сталях. У чисельних розрахунках використалися криві зміни довжини зразків, отримані при охолодженні (рис. 1).

Пластометричні випробування проводилися в діапазоні температур 800–1350 С, швидкостей деформації 10-3..15 с-1 в умовах одноосьового стиску (рис. 2). Результати досліджень було апроксимовано залежностями, враховуючими температуру, ступень та швидкість деформації. Це дозволило визначити опір деформації в широкому діапазоні температур та деформацій від розливу сталі до виходу заготовки з лінії МБРЗ.

а) | б)

Рис. 2. Зміна опору деформації зразків зі сталі 40Х(а) і ШХ15 (б)

Для аналізу схильності сталі до роззміцнення (релаксації напружень) були проведені дослідження щодо двоступінчатого навантаження зразків зі сталі ШХ15 при температурах 800..900 С та швидкостях деформації 10-2..10-1 с-1. за умов розливу з “м’якими” обтисками. Результати досліджень показали наявність практично повного роззміцнення зразків, що було враховано при виборі моделі реологічних властивостей металу.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ОЦІНКА ТА ЗІСТАВЛЕННЯ РІВНЯ НАПРУЖЕНЬ, ЩО ВИНИКАЮТЬ У КРИВОЛІНІЙНИХ МБРЗ ПРИ “М'ЯКИХ” ОБТИСКАХ

З метою визначення та зіставлення рівня напружень, що виникають від “м'якого” обтиску, вигину й розгину металу, кристалізації та фазових перетворень, були проведені експериментальні дослідження зразків зі сталі St3s (діаметр зразків 10,0 мм, довжина 120,0 мм) на дослідній машині GLEEBLE 3500. Умови деформування відповідали лінійному напруженому стану. За допомогою розро-бленої моделі термонапруженого стану металу при безперервному розливі з “м'якими” обтисками був проведений чисельний експеримент щодо визна-чення температурних і деформаційних умов, в яких знаходиться метал, у характерній точці перетину заготовки (середина широкої грані зовнішнього радіусу МБРЗ). Було виконано моделювання процесу розливу слябової заготовки перетину 225х1500 мм в умовах МБРЗ Huta Stali Czestochowa. Швидкість розливу дорівнювала 0,9 м/хв. Кліть, що обжимає, була розташована на відстані 9,0 м від дзеркалу металу, вміст твердої фази у перетині заготовки в місці розташування кліті – 83,2величина обтиску – 11,2 мм.

Отримані у розрахунку криві розподілу температури та деформації (рис. 3, а, б) було використано в якості вхідних даних для дослідної машини GLEEBLE 3500 – до зразку були прикладені теплові та деформаційні навантаження, що відповідали умовам проведення чисельного експерименту.

Розглянемо отримані результати (рис. 3, в). Позиція 1-2 відповідає начальному розігріву зразку у вільному стані у дослідної машині до темпе-ратури 1300 С зі швидкістю близько 20 С/с та подальшій витримці цієї температури. Виникаюча у цей час деформація пов’язана із термічним розширенням.

Позиція 2-3 відповідає проходженню заготовки через кристалізатор. Темпе-ратура поверхні металу спадає, зростають розтягуючи напруження. Далі (поз. 3-4) заготовка надходить до зони вторинного охолодження, інтенсивність охолодження спадає. Завдяки теплу кристалізації поверхня розігрівається та виникають стискаючі напруження. Подальше (поз. 4-5) температура поверхні поступово спадає, зменшу-ється інтенсивність виділення тепла кристалізації, стискаючі напруження спадають.

Позиції 5-11 відповідають проходженню заготовки по радіальній частині МБРЗ. При вигині заготовки (поз. 5-6) виникає деформація подовження та відпо-відно розтягуючи напруження. При високій температурі поверхні напруження релаксують (поз. 6-7). Подальше зменшення температури сприяє зростанню розтягуючих напружень (поз. 7-8). Прикладення “м'якого” обтиску (поз. 8-9) характеризується появою стискаючих напружень, які поступово зменшуються (поз. 9-10) завдяки релаксації. Далі на напруження від “м'якого” обтиску накладаються напруження розгину (поз. 10-11), які після виходу з радіальної частини також поступово релаксують (поз. 11-12). Напруження в позиції 12 характеризують рівень залишкових напружень. Після проходження позиції 12 експериментальні дослідження було припинено.

Отже, наведені дані свідчать про значний вплив на термонапружений стан металу розташування деформуючого інструменту, температури та величини обтиску. Напруження від кристалізації й теплових процесів (близько 45 МПа при виході із кристалізатору), вигину та розгину (відповідно близько 30 та 40 МПа) порівняні з напруженнями від “м'якого” обтиску (близько 45 МПа), що зумовило необхідність спільного урахування перерахованих явищ у функціоналі (4).

ОПТИМІЗАЦІЯ ПАРАМЕТРІВ РОЗЛИВКИ МЕТАЛУ В КРИВОЛІНІЙНИХ МБРЗ ПРИ ВИКОРИСТАННІ ТЕХНОЛОГІЇ “М'ЯКИХ” ОБТИСКІВ

Запропонований в роботі критерій оптимізації процесу “м'якого” обтиску J заснований на ідеї якомога більшого скорочення довжини рідкої лунки LЖ по відношенню до цієї величини у базовому розрахунку (без обтиску) LЖ БАЗ:

. (7)

При цьому в якості обмежуючих факторів запропоновано параметри та , де та - допустима бочкоподібність бічної поверхні заготовки та бочкоподібність у базовому розрахунку; 0 МАКС та 0 МАКС БАЗ допустимі середні напруження та середні напруження в базовому розрахунку.

При проведенні розрахунків на підставі аналізу літератури були прийняті наступні обмеження: вміст твердої фази у перетині заготовки в місці можливого прикладення обтиску 60,0..100,0%, обтиск здійснюється у 3-х послідовно розташованих клітях. Загальна максимально можлива величина обтиску 20%.

Чисельні розрахунки було проведено у два етапи. На першому був проведений базовий розрахунок (без обтиску) з метою визначення клітей, які розта-шовано в інтервалі можливого прикладення обтиску. В якості критерію ідентифікації розра-хунку використовуємо відомі експериментальні дані щодо теплового стану безперервно-розлитої заготовки за умов криволінійної блюмової та криволінійної слябової МБРЗ. В якості ідентифікуємих параметрів розглядаємо параметри тепло-передачі в лінії МБРЗ.

На другому етапі для цих клітей був проведений локальний повний факторний експеримент 53. Параметри, що варіювалися – величини обтиску в кожній з 3-х клітей, як функція відгуку було використано критерій оптимізації (7).

В якості критерію іден-тифікації розрахунку термо-напруженого стану металу за умов криволінійної блюмової МБРЗ-3 РУП БМЗ (заготовка 300х400 мм, сталь ШХ15) було використано дослідження температурного поля зливку, отриманим на МБРЗ-3 РУП БМЗ науковцями під керівництвом проф. В.І. Тимошпольського. Результати базового розрахунку показали, що інтервалу 60,0..100,0% твердої фази в перетині заготовки відповідає металургійна довжина 4115..14281 мм, на якій міститься 8 клітей. Оптимальному варіанту відповідають наступні умови: вміст твердої фази у перетині заготовки в місці розташування клітей дорівнює 65,0 %, 70,0 % й 74,8%, величина часткових обтисків відповідно 3,3%, 5,2% й 7,2%. У порівнянні із базовим розрахунком глибина рідкої лунки зменшилась на 882 мм (13398 мм проти 14281 мм варіанту без обтиску, рис. 4а). Результати розрахунку інтенсивності деформації (рис. 4б) та температури (рис. 4в) у контрольній точці перетину (середина широкої грані внутрішнього радіусу МБРЗ) відповідно оптимального варіанту та варіанту без обтиску.

Аналіз даних, наведених на рис. 4б, показує, що при оптимальному варіанті інтенсивності деформацій становить майже вдвічі більшу величину, ніж при базовому. Також при входженні металу у другу кліть виникає значне охолодження (близько 200 С).

Таблиця 1.

Інтенсивність деформацій по перетинах блюмової заготовки |

без обтиску | оптимальний обтиск

Поз.1. |

Поз.2.

Поз.3.

В таблиці 1 наведено розподіл інтенсивності дефор-мацій у поперечних перетинах блюмової заготовки для варіанту без обтиску та з оптимальним обтиском в характерних місцях – після кристалізатору (поз. 1 – 842 мм від дзеркалу металу), після третьої кліті (поз. 2 – 5931 мм, обтиск 15,0 мм) та наприкінці розливки (поз. 3 – 23754 мм). Площа напіврідкої фази наведена контуром.

В якості критерію ідентифікації розрахунку термонапруженого стану мета-лу за умов криволінійної слябової МБРЗ Huta Stali Czestochowa (заготовка 225х1500 мм, сталь St3s) було використано дослідження температурного поля зливку наприкінці процесу розливу, отримані співробітниками Інституту Металургії Заліза (м. Глівіце, Польща).

Результати базового розрахунку показали, що інтервалу прикладення обтиску відповідає металургійна довжина 4292..12509 мм од меніску, на якій міститься 15 клітей.

Оптимальному варіанту відповідають наступні умови: вміст твердої фази у перетині заготовки в місці розташування клітей дорівнює 89,792,3й 95,0величина часткових обтисків відповідно 3,01,7й 0,8У порівнянні із базовим розрахунком глибина рідкої лунки зменшилась на 336 мм (12172 мм проти 12508 мм варіанту без обтиску). На рис. 5 наведено результати розрахунку інтенсивності деформацій, температури та середніх напружень у контрольній точці перетину (середина широкої грані внутрішнього радіусу МБРЗ) для варіантів без обтиску та з оптимальним обтиском. Позиції 1-3 на рис. 5в відповідають прикладенню “м'якого” обтиску в трьох клітях відповідно.

Аналіз даних, наведених на рис. 5а, показує, що кінцева величина інтенсивності деформацій в оптимальному варіанті майже у півтора рази вище у порівнянні із базовим. Кінцева температура (рис. 5б) для оптимального та базового варіантів розрахунку відрізняється майже на 50 С; величина розігріву поверхні після кристалізатору та кінцева температура поверхні слябової заготовки значно вища у порівнянні із блюмовою. Величина середніх напружень (рис. 5в) наприкінці процесу розливу для базового (без обтиску) варіанту та варіанту з оптимальними обтисками відрізняється незначно; напруження від вигину та розгину заготовки порівняні по величині, що підтверджується власними експериментальними дослідженнями.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичне узагальнення й нове рішення науково-технічного завдання, що полягає у розробці теоретично обґрунтованого методу розрахунку просторового термонапруженого стану металу в криволінійних блюмових та слябових МБРЗ за умов “м'якого” обтиску для аналізу процесів пластичної деформації заготовки та визначення оптимальних параметрів прикладення “м'якого” обтиску з метою підвищення якості заготовки.

1. Аналіз існуючих методів розрахунку процесів пластичної деформації металу в МБРЗ за умов “м'якого” обтиску показав, що наявні методи розрахунку не враховують впливу спільної деформаційної та теплової історії металу на просторовий термонапружений стан заготовки від розливу до виходу з лінії МБРЗ. Це обмежує впровадження раціональних технологій розливу з “м'яким” обтиском. Тому дослідження, присвячені розробці теоретично обґрунтованого методу розрахунку просторового термонапруженого стану металу в криволінійних блюмових та слябових МБРЗ за умов “м'якого” обтиску для аналізу процесів пластичної деформації заготовки та визначення оптимальних параметрів прикладення “м'якого” обтиску з метою підвищення якості заготовки, є актуальними.

2. Виконано модифікацію функціоналу варіаційного принципу Лагранжа в частині урахування деформацій і напружень від “м'якого” обтиску.

3. Одержали подальший розвиток експериментальні дослідження реологічних і ділатометричних властивостей сталей 20, 45, 40Х, 75РМЛ, ШХ15 в умовах безперервного розливу з “м'яким” обтиском. Реологічні дослідження відрізняються від відомих температурними та деформаційними умовами (температури наближені до солідусу, швидкості деформації близькі до 10-3 с-1), результати експериментів були апроксимовані залежностями, що враховують температуру, ступень та швидкість деформації. Ділатометричні випробування проводилися в інтервалі температур 20..1100 С, швидкість зміни температури становила 3 С/сек, результати досліджень переведені в табличну форму.

4. Одержали подальший розвиток подання про процеси зміцнення й роззміцнення при безперервному розливі. Дослідження зразків зі сталі ШХ15, проведені при швидкостях деформації 10-2..10-1 с-1 та температурах 800..900 С за умов безперервного та двоступінчастого навантаження, довели перевагу процесів роззміцнення над процесами зміцнення в умовах “м'якого” обтиску.

5. Вперше за умов безперервного розливу з “м'якими” обтисками на криволінійній слябовій МБРЗ розрахунково-експериментальним методом отримано дані щодо величин та співвідношення напружень, котрі виникають у безперервно-розлитій заготовці від “м'якого” обтиску, вигину та розгину заготовки, термічних навантажень.

6. Запропоновано критерій оптимізації безперервного розливу з “м'якими” об-тисками, що враховує параметри кристалізації, напружений стан та дані про формозміну.

7. Отримано нові теоретичні залежності впливу параметрів прикладення обтиску на просторовий термонапружений стан металу при безперервному розливі з “м'якими” обтисками за умов криволінійної слябової та криволінійної блюмової МБРЗ. Оптимальному варіанту прикладення “м'якого” обтиску для блюмової заготовки 300х400 мм зі сталі ШХ15 (МБРЗ-3 РУП “БМЗ”) відповідають наступні умови: вміст твердої фази у перетині заготовки в місці розташування клітей дорівнює 65,070,0й 74,8 %, величина часткових обтисків відповідно 3,35,2й 7,2Оптимальному варіанту прикладення “м'якого” обтиску для слябової заготовки 225х1500 мм зі сталі St3s (МБРЗ Huta Stali Czestochowa) відповідають наступні умови: вміст твердої фази у перетині заготовки в місці розташування клітей дорівнює 89,792,3й 95,0величина часткових обтисків відповідно 3,01,7й 0,8

8. Одержані в дисертаційній роботі результати моделювання процесу безперервного розливу використано: – на РУП “БМЗ” (м. Жлобін, Республіка Бєларусь) при розробці раціональних режимів розливу заготовок 300х400 мм в умовах МБРЗ-3 (акти про приймання науково-технічної продукції від 3.12.2002, 30.06.2003, 6.04.2004 рр.); – на факультеті Інженерії матеріалів, обробки й прикладної фізики Ченстоховського технічного університету при читанні лекцій у рамках курсів “Моделювання процесів ОМТ” й “Метод кінцевих елементів”; – при теоретичному аналізі напружено-деформованого стану металу при розливі заготовок 225х1500 мм спільно з фахівцями металургійного заводу Huta Stali Czestochowa (м. Ченстохова, Польща) у рамках дослідницького проекту “The modeling and optimization of thermo-mechanical state of steel during continuous casting process in order to decrease crack forming” (акт впровадження результатів роботи 0012/14.05.2005); – на кафедрі ОМД НМетАУ при читанні лекцій у рамках курсу “Машино-орієнтовані методи розрахунку процесів ОМТ”, а також при виконанні студентами дипломних проектів і випускних магістерських робіт (довідка від 22.11.2006 р.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1. Миленин А.А., Корсун П.В., Лапенко С.А. Комбинированный подход к моделированию процессов прокатки методом конечных элементов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. – Краматорськ – Слов`янськ.– 2001.– С. 37–40.

2. Миленин А.А., Лапенко С.А. Теоретический анализ трехмерных эффектов формоизменения при прокатке с учетом наличия в металле жидкой фазы // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук.пр. ДДМА. – Краматорськ-Хмельницький. – 2002. – С. 297-301.

3. Миленин А.А., Киселев А.П., Лапенко С.А. Теоретический анализ напряженного и деформированного состояния при локальной деформации непрерывнолитой заготовки на стадии частичной кристаллизации // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 5. Пластична деформація металів. – Дніпропетровськ. – 2002. – С. 226-232.

4. Миленин А.А., Дыя Х., Стеблов А.Б., Лапенко С.А. Математическое моделирование прокатки непрерывнолитого слитка из стали ШХ15 на стадии неполной кристаллизации его сердцевины // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. праць. ДДМА. – Краматорськ. – 2003. – С. 178-183.

5. Миленин А.А., Лапенко С.А. Математическое моделирование термомеханических процессов при непрерывном литье заготовки // Удосконалення процесів i обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. ДДМА – Краматорськ. – 2004. – С. 228-235.

6. Лапенко С.А., Миленин А.А., Афанасьев В.А. Определение оптимальных условий приложения мягкого обжатия заготовки в МНЛЗ криволинейного типа // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 8. Пластична деформація металів. – Дніпропетровськ. – 2005. – С. 40-44.

7. Миленин А.А., Лапенко С.А. Моделирование влияния мягкого обжатия на процесс кристаллизации непрерывнолитой заготовки // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії: Зб. наук. пр. -№1 (3). – 2006. – С. 7-12.

Додаткові наукові результати відображені в публікаціях:

8. Миленин А.А., Корсун П.В., Ершов С.В., Лапенко С.А. Исследование и прогнозирование особенностей трехмерного формоизменения металла при прокатке в тавровом калибре // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр.– Краматорськ, 2001.– C. 458-463.

9. Миленин А.А., Корсун П.В., Лапенко С.А., Жучков С.М., Киселев А.П. Применение трехмерного компьютерного моделирования к задаче оптимизации формы донной части слитка с целью уменьшения обрези при прокатке на блюминге // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 5. Пластична деформація металів. – Дніпропетровськ. – 2002. – С.262-265.

10. A. Milenin, H. Dyja, M. Janik, S. Lapienko, B. Koczurkiewicz Three-dimensional modelling of ingot steel rolling with semi-solid core // 6-th ESAFORM Conference On Material Forming. – Salerno. – 2003. – P. 546-551.

11. Миленин А.А., Млинарчик И., Денис Я., Лапенко С.А. Математическое и физическое моделирование процессов деформирования стали St3s в машине непрерывного литья заготовки// Труды научн.-техн. конф. “Теория и технология процессов пластической деформации”. – Москва. – 2004. – С.48-50.

12. Миленин А.А., Лапенко С.А. Моделирование формирования твердой фазы при разливке стали ШХ15 в МНЛЗ криволинейного типа // Nowe Technologie i Osiagniкcia w Metalurgii i Inїynierii Materiaіowej. – Metalurgia. – Czкstochowa. – 2005. – P. 219–223.

АНОТАЦІЯ

Лапенко С.О. Розробка методу розрахунку та теоретичний аналіз процесів пластичної деформації металу в криволінійних машинах безперервної розливки заготовок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. – Процеси і машини обробки тиском. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена розробці теоретично обґрунтованого методу розрахунку просторового термонапруженого стану безперервно-розлитої заготовки в криволінійних блюмових та слябових МБРЗ за умов “м’якого” обтиску з урахуванням термомеханічних явищ, що виникають у безперервно-розлитому металі, для аналізу процесів пластичної деформації заготовки та визначення оптимальних параметрів прикладення “м'якого” обтиску з метою підвищення якості заготовки. Експериментально визначено фактори, які мають вплив на термонапружений стан металу при розливці з “м’якими” обтисками. Розроблений метод враховує взаємну дію теплових (кристалізація та охолодження) та деформаційних (вигин та розгин від дії роликів, “м’який” обтиск, феростатичний тиск) процесів у тривимірній постановці.

Проведено експериментальні дослідження щодо визначення механічних (реологічних та дилатометричних) властивостей основних груп сталей за умов МБРЗ.

У роботі визначено оптимальні параметри прикладення обтиску за умов криволінійних блюмової та слябової МБРЗ, розроблено рекомендації щодо розташування клітей, що обжимають, та величини часткових обтисків.

Ключові слова: МКЕ, МБРЗ, “м’який” обтиск, блюм, сляб, термонапружений стан, оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Лапенко С.А. Разработка метода расчета и теоретический анализ процессов пластической деформации металла в криволинейных машинах непрерывного литья заготовок. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. – Процессы и машины обработки давлением. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена разработке теоретически обоснованного метода расчета пространственного термонапряженного состояния металла в криволинейных блюмовых и слябовых МНЛЗ при использовании технологии “мягких” обжатий для анализа процессов пластической деформации заготовки и определения оптимальных параметров приложения “мягкого” обжатия с целью повышения качества заготовки. Выполнен анализ существующих методов расчета процессов пластической деформации металла в МНЛЗ, в т.ч. реализованных в пакетах прикладных программ. По данным промышленных экспериментов определены особенности реализации метода “мягких” обжатий в криволинейных МНЛЗ.

Впервые создан метод расчета пространственного термонапряженного состояния металла в криволинейных МНЛЗ при разливке с “мягкими” обжатиями, учитывающий “мягкое” обжатие, изгиб и разгиб заготовки инструментом МНЛЗ, тепловые процессы и кристаллизацию, ферростатическое давление. Созданный метод расчета позволяет теоретически определить оптимальные величины частных обжатий и позиции приложения “мягкого” обжатия, что позволяет повысить качество непрерывно-литых заготовок.

Получили дальнейшее развитие экспериментальные исследования механических (относительное удлинение и сопротивление деформации) свойств сталей в условиях непрерывной разливки.

Получили дальнейшее развитие представления о процессах упрочнения и разупрочнения в условиях непрерывной разливке. Исследования образцов из стали ШХ15, проведенные в условиях непрерывного и двухступенчатого нагружения, показали преобладание процессов разупрочнения над процессами упрочнения.

Впервые на основе расчетно-экспериментальных исследований получены данные об уровне напряжений от действия “мягкого” обжатия, изгиба и разгиба заготовки, термических нагрузок в криволинейных МНЛЗ. Показано, что напряжения сопоставимы по величине, что требуется учитывать при разработке математических моделей процесса непрерывной разливки в криволинейных МНЛЗ при использовании технологии “мягких” обжатий.

Предложен новый критерий оптимизации, учитывающий параметры разливки, формоизменение и напряженное состояние заготовки.

Впервые теоретически определены оптимальные параметры приложения “мягкого” обжатия (позиции приложения обжатия и величины частных обжатий) в условиях криволинейной блюмовой и криволинейной слябовой МНЛЗ.

Ключевые слова: МКЭ, МНЛЗ, “мягкое” обжатие, блюм, сляб, кристаллизация, термонапряженное состояние, оптимизация.

ABSTRACT

Lapenko S.A. Development of a method of calculation and the theoretical analysis of processes of plastic deformation of metal in the curvilinear continuous casting machine. - Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.03.05. - Processes and machines of processing by pressure. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2007.

The dissertation is devoted to development on the basis of a Finite Element Method of calculation spatial temperature and deformed conditions of metal in curvilinear bloom’s and slab’s continuous casting machines in conditions of the soft reduction with account of the thermomechanical phenomena which arise in continuous - casting metal, and a theoretical determination of the optimum parameters of the soft reduction. Factors which have influence on temperature and deformed conditions of metal in curvilinear continuous casting machine during casting with soft reduction are experimentally determined. The developed method the mutual action thermal (crystallization and cooling) and deformation (a bending and unbending by rollers, soft reduction, ferrostatic pressure) processes in three-dimensional formulation takes into account.

Experimental researches of mechanical (reological and dilatometric) properties for the basic groups of steels in conditions of continuous casting machine are presented.

In work the optimum parameters of the soft reduction in conditions curvilinear bloom’s and slab’s continuous casting machines are determined. Recommendations of values and divisibilities of individual reductions are proposed.

Key words: FEM, continuous casting machine, soft reduction, bloom, slab, crystallization, thermo-stress state, optimization.

Підписано до друку 18.05.07. Формат 60 х 84 1/16. Папір друк.. Друк плоский.

Облік.-вид.арк.2,94.Умовн. друк.аркуш 1. Тираж 100 пр. Замовлення №45

Національна металургійна академія України

49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

__________________________________________

Редакційно-видавничий відділ НМетАУ