Исследование и создание технологии производства длинномерных теплообменных труб из медно-никелевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Скотников, Игорь Альбертович

• Скотников, Игорь Альбертович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скотников, Игорь Альбертович

Введение.

1 Состояние вопроса и предпосылки к исследованию и освоению процессов горячей и холодной деформации теплообменных труб.

1.1 Общие сведения о материалах для теплообменных труб.

1.2 Условия эксплуатации теплообменных труб, основные требования к их свойствам и предпосылки к освоению производства труб из сплавов МНЖМцЮ-1-1 иМНЖМцЗО-1-1.

1.3 Возможности применения пластометрических исследований для моделирования механических свойств труб, выпускаемых в промышленных условиях.

1.4 Обзор исследований по математическому моделированию процесса прессования.

1.5 Выводы и задачи исследования.

2 Определение механических свойств медно-никелевых сплавов с помощью пластометрии их образцов в горячем и холодном состоянии.

2.1 Методика проведения лабораторных исследований по пластометрии.

2.2 Результаты испытаний сплава МНЖМц 101-1.

2.3 Результаты испытаний сплава МНЖМцЗО-1-1.

3 Теоретические и экспериментальные исследования процесса прессования труб из медно-никелевых сплавов.

3.1 Моделирование радиального течения в углу контейнера и пресс-шайбы.

3.2 Расчёт основных параметров радиального течения под пресс-шайбой.

3.3 Экспериментальные исследования процесса прессования труб из сплавов МНЖМц 10-1 -1 и МНЖМцЗ0-1 -1 в промышленных условиях.

4 Промышленное освоение производства труб для теплообменников из сплавов МНЖМц10-1-1 и МНЖМц30-1-1.

4.1 Выбор общей схемы технологического процесса.

4.2 Внедрение процесса прессования труб из медно-никелевых сплавов на гидропрессе усилием 3150 т и перечень работ по повышению стойкости прессового инструмента.

4.3 Выбор оптимальных режимов процесса холодной прокатки трубной заготовки из медно-никелевых сплавов на стане ХПТ 3-75.

4.4 Освоение бухтового волочения теплообменных труб из медно-никелевых сплавов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и создание технологии производства длинномерных теплообменных труб из медно-никелевых сплавов»

Теплообменные трубы относятся к наиболее массовому виду металлопродукции, спрос на которую определяет развитие таких отраслей как электроэнергетика (тепловые и атомные электростанции), теплоэнергетика, судостроение, нефтехимическая промышленность, холодильная техника, опреснение морской воды. Соответственно, для заводов по обработке цветных металлов главным направлением в современных условиях стало изыскание и интенсивное развитие конкурентоспособных видов продукции на базе научно-обоснованных технологий. Спектр материалов, используемых для изготовления теплообменных труб, довольно широк: от меди, латуней и бронз до титановых сплавов. Особенное место в этом ряду занимают медно-никелевые сплавы МНЖМц10-1-1 и МНЖМцЗ 0-1 -1.

Данные сплавы по сравнению с латунями и бронзами более устойчивы к коррозии под напряжением, позволяют повысить скорость циркуляции морской воды, обладают достаточно высокой химической инертностью и вместе с тем они весьма технологичны при обработке давлением (не так, например, как титан).

Технологический процесс производства теплообменных труб, в отличие от производства труб общего назначения, должен обеспечивать и гарантировать повышенные строго регламентированные требования к структуре, механическим свойствам и качеству поверхности. В этих условиях весьма актуальным представляется задача создания технологического процесса, совмещающего высокие технические требования к выпускаемой продукции с общей мировой тенденцией снижения себестоимости производства.

Со своей стороны процесс получения качественных теплообменных труб путем холодного деформирования прокаткой и волочением на конечном этапе не может исключить промежуточный процесс прессования труб из литой заготовки.

В этой связи при создании высокоэффективного технологического процесса теплообменных труб из сплавов МНЖМц10-1-1 и МНЖМцЗО-1-1 ставилась задача исследования и обработки процессов прессования на гидравлическом прессе усилием 3150 т, прокатки на стане ХПТ 3-75 и бухтового волочения на барабанном стане ВСТ 1-1500.

Наименее исследованным звеном в этой технологической цепи является процесс прессования на горизонтальном гидравлическом прессе. С одной стороны, получаемая путем прессования трубная заготовка должна иметь большой вес для более эффективной дальнейшей обработки, с другой стороны, ограничение усилия прессования, высокий предел текучести данных сплавов и, соответственно высокая температура прессования, вызывающая эффект сильного захолаживания слитка в прессовом контейнере, накладывают ограничения на массу прессуемой заготовки.

Целью настоящей работы является исследование теоретическими и экспериментальными методами собственно процесса горячего прессования труб из сплавов МНЖМцЮ-1-1 и МНЖМцЗО-1-1, пластометрические испытания реологических характеристик этих сплавов в лабораторных условиях, оптимизация процесса прессования на базе полученных новых результатов исследований, внедрение процесса промышленного передела прессовых труб, а также практическое освоение заключительных этапов холодной обработки давлением методами прокатки и волочения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, а также содержит список используемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Скотников, Игорь Альбертович

Основные результаты настоящей работы состоят в следующем:

1.Проведены лабораторные исследования реологических характеристик сплавов МНЖМц 10-1-1 и МНЖМц 30-1-1 при различных температурно-скоростных режимах. Построены диаграммы пластичности и кривые деформационного упрочнения, по которым можно оценить предельную пластичность и степень наклёпа, что в свою очередь даёт возможность выбрать рациональные режимы обработки при прессовании, прокатке и волочении труб.

2.Разработана методика оценки характера радиального течения под пресс-шайбой при прессовании труб из сплавов МНЖМц 10-1-1 и МНЖМц 30-1-1, в основу которой положено решение задачи о течении высоковязкой среды в ограниченном пространстве. При этом учитываются основные параметры процесса прессования: захолаживание слитка в контейнере, геометрия заготовки и ресурс пластичности сплава.

3.С помощью координатных сеток на составных заготовках, отпрессованных в промышленных условиях, подтверждена правомерность применения предложенной методики численного моделирования. Экспериментально установлена прямая зависимость наклона оси радиального течения от температуры нагрева слитков, что в свою очередь связано с величиной пресс-утяжины. Цеховым технологам предложена полученная полуэмпирическим путём зависимость для проектирования оптимальной технологии прессования с ограниченной пресс-утяжиной, которая может быть распространена не только на медноникеливые сплавы, но и на латуни и бронзы.

4.Установлено, что при прессовании труб игла воспринимает дополнительную нагрузку в области пресс-шайбы и сдерживает более раннее по сравнению с процессом прессования прутков развитие центральной пресс-утяжины, но вместе с тем обрывность игл происходит именно в локальной зоне под пресс-шайбой на расстоянии 0,5 Д конт от её плоскости, что было впервые предсказано расчётным путём.

5.Показано, что радиальное течение металла под пресс-шайбой в отличие от течения затопленных высоковязких сред можно наблюдать на «застывшей» картине течения на координатной сетке, макроструктуре слитка и но характеру обрывности прессовых игл. При этом может быть более точно определена полуширина потока. Характерно также, что при образовании задней пробки движение металла носит характер зарождающегося вихревого течения. В целом указанные явления позволяют по-новому взглянуть на реологию процессов пластической деформации: имеется общность механизмов пластичности и течения высоковязких сред.

6.Разработаны и внедрены рациональные режимы прессового передела трубной заготовки из сплавов МНЖМц 10-1-1 и МНЖМц 30-1-1, определены критерии оптимальной технологии прессования труб без образования центральной пресс-утяжины с максимально возможной длиной трубы-полуфабриката. С использованием результатов пластометрических исследований освоены эффективные технологии последующей прокатки и бухтового волочения теплообменных труб из медно-никелевых сплавов.

7.Разработан и применен на практике ряд мероприятий по повышению стойкости прессового инструмента по прессованию теплообменных труб из медно-никелевых сплавов: изменение формы матриц и толщины пресс-шайб, охлаждение инструмента водой и воздухом, подбор эффективных марок сталей и др.

8.Изучены возможности применения современных многокомпонентных смазок для процессов холодной прокатки и волочения трудно-деформированных медно-никелевых сплавов, подобраны их оптимальные составы и способы нанесения, исключающие налипание деформированного металла на инструмент.

9.В результате внедрения законченной научно-исследовательской работы освоен выпуск труб из сплава МНЖМц 10-1-1 в объеме 600 тн в год и из сплава МНЖМц 30-1-1 - 200 тн в год .Получен годовой экономический эффект 13927,2 тыс . рублей .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скотников, Игорь Альбертович, 2004 год

1. Шевакин Ю.Ф., Котов В.В., Дымов В.Н. и др. // Цветные металлы. 1980, № 12, С.76-81.

2. Мочалов Н.А., Скотников И.А. Освоение промышленной технологии производства труб из латуни марки ЛК-75-0,5 для теплообменных аппаратов //Изв. вузов.Цветная металлургия, 1998.№6. С.26-28.

3. Мочалов Н.А., Скотников И.А. Промежуточный индукционный отжиг холоднокатаной заготовки при освоении технологии производства латунных труб //Производство проката, 1999.№9 С. 10-13.

4. Мочалов Н.А., Шиманаев А.Е., Скотников И.А. О производстве металлопроката из меди и медных сплавов на Кольчугинском заводе //Сталь, 2001.№6.С. 24-30.

5. Расширение области применения бухтового способа производства труб из медно никелевого сплава МНЖМц 10-1-1 Скотников И.А., Котов В.В., Мочалов Н.А., Пружинин И.Ф.// Цветныеметаллы,2001.№6. С .96-102.

6. Федоров В.Н., Котов В.В., Кучеров В.И. Изыскание новых сплавов и разработка технологии производства полуфабрикатов для судостроительной промышленности// Отчет ин-та «Гипроцветметобработка». М., 1976.

7. La Que F.L. // Ocean Eng 1969. V. 1. N 3. P.299-312.

8. Маркович P.A., Супрун Л.А. Техническая эксплуатация морского флота. Новые материалы в судовой технике, борьба с коррозией// Труды ЦНИИМФ. Вып. 139.-Л., 1971. С. 21-32.

9. Зюзин В.И., Бровман М.Я., Мельников А.Ф. Сопротивление деформации сталей при горячей прокатке. М.: Металлургия, 1964, 270 С

10. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983, 352 С.

11. Suzuki H Report of Inst. Industrial Science the University of Tokyo 1968 v 18 n.3 pp 139-240.

12. Хензель А., Шпиттель Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1982, 360 С.

13. Galkin A.M. Badania plastometryczue metali i stopow. Czestochowa W.P.Cz.; 1990, 142 S.

14. Ефимов B.H., Бровман М.Я. Сопротивление деформации в процессах прокатки. М.: Металлургия, 1996, 254 С.

15. Исследование технологической деформируемости медно-никелевого сплава МНЖМц10-1-1. Скотников И.А., Мочалов Н.А., Котов В.В., Галкин A.M., Пружинин И.Ф., Миронов П.В. //Изв. вузов. Цветная Металлургия, 2002. №2 С.ЗЗ-36.

16. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982, 584 С.

17. Диаграммы горячей деформации, структура и свойства сталей: Справ, изд. (Бернштейн M.JI. и др.). М.: Металлургия, 1989, 544 С.

18. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций.М.: Наука, 1966,568С.

19. Поздеев А.А., Тарковский В.И., Еремеев В.И. Применение теории ползучести при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1973, 192 С.

20. Григорьев А.К., Фомин С.Г.// Изв.ВУЗ. Черная металлургия. № 6 1983, С.54-58.

21. Кузнецов В.Н., Басалов Ю.Г. Теория и технология процессов пластической деформации. М., МИСиС, 1997, С 548 552.

22. Колбасников Н.Г., Трифанова И.Ю.//Известия РАН "Металлы", 1996, № 2, С. 62-78.

23. Коновалов А.В.// Известия АН СССР "Металлы", № 6, 1984, С. 178184.

24. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением.М.: Металлургия, 1986, 688 С.

25. Дзугугов М.Я. Пластичность, ее прогнозирование и использование при ОМД. М.: Металлургия, 1984, 63 С.

26. Колмогоров B.JI. Напряжения. Деформации. Разрушения. М.: Металлургия, 1977, 336 С.

27. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурсы пластичности металлов при ОМД. М.: Металлургия, 1984, 144 С.

28. Механика деформирования и разрушения//(Сб.науч.трудов) Екатеринбург: УрО РАН, 2001, 45 С.

29. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ УПИ, 2002, 329 С.

30. Овчинников А.Г., Лужин В.Г. Исследование процесса обратного выдавливания с использованием функции тока.// Изв.ВУЗ. Машиностроение, 1974, №10, С.128-131.

31. Кучеряев Б.В., Полухин П.И. Дифференциальное уравнение совместности функции тока и функции состояния.- В сб.: Пластическая деформация металлов и сплавов, МИСиС. Науч.тр., М., Металлургия, 1977, №103, С.5-8.

32. Касатиков В.П. О дифференциальном уравнении для функции тока В сб.: Пластическая деформация металлов и сплавов, МИСиС., Науч.тр., Металлургия, М., 1977, №93, С.118-122.

33. Качанов Л.М. Основы теории пластичности.- М.: Наука, 1969, 420 С.

34. Гун Г.Я. О применении начала виртуальных скоростей в теории обработки металлов давлением.- В сб.: Теория и технология деформации металлов. МИСиС. Науч.тр., М., Металлургия., 1978, №110, С.5-15.

35. Кучеряев Б.В. Алгоритмизация процессов течения многослойных тел.- В сб.: Пластическая деформация металлов и сплавов. МИСиС. Науч.тр., 1975, №85, С. 18-20.

36. Кучеряев Б.В., Полухин П.И., Потапов И.Н. Применение ортонормированного ряда функций для решения задач обработки металлов давлением.- В сб.: Пластическая деформация металлов и сплавов. МИСиС. Науч.тр., 1977, № 103, С.8-12.

37. Гун Г.Я., Полухнн П.И., Полухнн В.П., Прудковскнй Б.А. Пластическое формоизменение металлов- М.: Металлургия, 1968,416 С.

38. Гун Г.Я., Ганелин Д.Ю. Математическое моделирование плоских задач теории прессования при отсутствии перемещения металла по контактной поверхности.- В сб.: Пластическая деформация металлов и сплавов. МИСиС. Науч.тр., М., Металлургия, 1975, №85, С.3-8.

39. Ганелин Д.Ю. Определение параметров пластического течения при обратном выдавливании металлов с помощью комплексной математической модели.- В сб.: Теория и технология деформации металлов. МИСиС. Науч.тр., М., Металлургия, 1978, №110,С. 15-21.

40. Гун Г.Я., Полухин П.И., Ганелин Д.Ю. Математическое моделирование осесимметричных стационарных процессов обработки металлов давлением.-Изв.ВУЗ. Черная металлургия. 1976, №5, С.88-92.

41. Гун Г.Я., Сигитов Е.В. К матемаическому моделированию на ЭВМ процессов плоского пластического течения.- В сб.: Теория и технология деформации металлов. МИСиС. Науч.тр., 1982, №135,С.5-10.

42. Сигитов Е.В., Гун Г.Я. Основные алгоритмы математической модели плоского пластического течения.- В сб.: Теория и технология деформации металлов. МИСиС. Науч.тр., 1982, №135, С. 11-22.

43. Гун Г.Я., Белевич А.В., Полухин П.И. Построение на ЭВМ «опорных» полей перемещений при моделировании прокатки сложной формы.- В сб.: Пластическая деформация металлов и сплавов. МИСиС. Науч.тр. 1975, №85,С.8-13.

44. Гун Г.Я., Полухин П.И., Белевич А.В. Численная реализация на ЭВМ «МИНСК-22» программы расчета деформированного состояния в объемной задаче прокатки.- В сб.: Пластическая деформация металлов и сплавов. МИСиС. Науч.тр., 1972, №ХХ1, С. 1-7.

45. Гун Г.Я., Полухин П.И., Сенысин Е.Н. Аналитическое построение опорного решения задачи плоского прессования.- В сб.: Пластическая деформация металлов и сплавов. МИСиС. Науч.тр., 1972, №ХХ1, 7.120-183.

46. Кучеряев Б.В., Полухин П.И., Потапов И.Н. О применении суперпозиции однородного потока и других простейших течений для построенияопорных решений задач обработки металлов давлением.// Изв.ВУЗ. Черная металлургия, 1974, №3, С.39-44.

47. Кучеряев Б.В., Потапов И.Н. Моделирование процесса прокатки суперпозиций потенциальных полей.// Изв.Вуз. Черная металлургия, 1974, №4, С.78-81.

48. Гун Г.Я., Полухин П.И., Ганелин Д.Ю. Математическое моделирование осесимметричных стационарных процессов обработки металлов давлением. //Изв.ВУЗ. Черная металлургия, 1976, №7, С.72-75.

49. Гун Г.Я., Биба Н.В., Садыхов О.Б. и др. Автоматизированная система ФОРМ-2Д для расчета формоизменения в процессе штамповки на основе метода конечных элементов.// Кузнечно-штамповочное производство. 1992, №9-10, С.4-7.

50. Гугучкин Ю.В., Стебунов С.А., Шакуров JI.A. Опыт применения системы ФОРМ-2Д в производственной практике. //Кузнечно-штамповочное производство. 1993, №10. С.24-27.

51. Грабарник JI.M. , Нагайцев А.А. , Золкин В.Н. Прессование медных сплавов со свободным контейнером // Цветные металлы .1982, №9, С.83-86.

52. Грабарник JT.M. ,Золкин В.Н. Исследование деформированного состояния материала при осесимметричном прессовании.// Исследование процессов обработки цветных металлов давлением :.Науч.тр. /Гипроцветметобработка.- М.: Металлургия ,1983,С.9-18.

53. Перлин И.Л. Теория прессования металлов.-М.: Металлургия, 1964,344 С

54. Золкин В .Н. //Тезисы докладов X Всес.конф. по прессованию металлов.Москва-Каменск-Уральский ,1985,С.83-85.

55. Золкин В .Н. // Снижение трудоемкости и повышение точности проката из цветных металлов и сплавов: Науч.тр./Гипроцветметобработка.-М.: Металлургия, 1987,С.6-16.

56. Шевакин Ю.Ф., Золкин В.Н., Шуйский В.Г. // Ресурсосберегающие процессы плавки, литья и обработки цветных металлов и сплавов: Науч.тр./Гипроцветметобработка.-М.: Металлургия, 1988,С.62-73

57. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя, пер с нем.М.:Ин. лит., 1956,528С.

58. Гиневский А.С. // Промышленном аэродинамика. Вып. 23. Струйные течения.-М.: Оборонгиз,1962 С.72-79.

59. Влияние струйного течения в области пресс-шайбы на иглу при прессовании труб из цветных металлов. Золкин В.Н., Мочалов С.Н., Котов В.В., Скотников И.А.// Цветные металлы, 2002.№5.С.59-63.

60. Скотников И.А., Мочалов С.Н., Котов В.В. Выбор рациональных материалов для теплообменных труб// Металлоснабжение и сбыт, 2002.№6.С. 9295.

61. Теплообменные трубы: высокое качество и долговеч Мочалов С.Н., Скотников И.А., Котов В.В., Пружинин И.Ф. // Металлы Евразии, 2002.№6.С. 48-51.

62. Золкин В.Н., Скотников И.А., Мочалов С.Н. Особенности течения при прямом прессовании прутков и труб из цветных металлов и сплавов.// Труды VI Международного Конгресса «Кузнец-2002». -М.: 2002. С.72-74.

63. Рытиков A.M., Грабарник JI.M., Нагайцев А.А. Изыскание технологии прессования трубной заготовки из сплава МНЖМц 30-1-1 на горизонтальных прессах: Отчет ин-та « Гипроцветметобработка ».-М.,19837р с U0>K ен if £ 1 f qг