Исследование температурного поля в объеме заготовки с целью управления тепловым режимом при радиально-сдвиговой прокатке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Алексеев, Павел Леонидович

• Алексеев, Павел Леонидович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алексеев, Павел Леонидович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Развитие теории радиально-сдвиговой прокатки.

1.2. Методы решения тепловых задач в области ОМД.

1.3. Способы измерения температуры при горячей обработке металлов.

Глава 2. Теоретическое определение и исследование температурного поля.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Решение тепловой задачи при влиянии теплообмена с окружающей средой и воздействии тепловых источников.

2.3. Определение функции тепловых источников.

2.4. Алгоритм пошагового вычисления деформационных параметров.

2.5. Разработка программного обеспечения для расчета теплового поля металла.

Глава 3. Разработка методики экспериментального исследования температуры металла при радиально-сдвиговой прокатке.

3.1. Предпосылки создания методики.

3.2. Сущность метода.

3.3. Тарировка системы измерения.

3.4. Оценка точности измерения.

3.5. Испытание разработанного способа при различных процессах обработки металлов.

Глава 4. Исследование факторов, определяющих тепловое состояние металла при РСП.

4.1. Исследование параметров очага деформации при радиально-сдвиговой прокатке прутков из стали Ст 3 и титанового сплава ВТ-6.

4.2. Тепловизионное исследование глубины положения максимума температуры.

4.3. Тепловизионное исследование распределения температуры поверхности по длине заготовки.

4.4. Исследование влияния параметров процесса РСП на тепловое состояние заготовки.

Глава 5. Анализ теплового состояния металла при реверсивной многопроходной РСП.

5.1. Описание оборудования для исследования.

5.2. Исследование деформационного разогрева металла в каждом проходе.

5.3. Особенности теплового поля металла при многопроходной реверсивной РСП.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование температурного поля в объеме заготовки с целью управления тепловым режимом при радиально-сдвиговой прокатке»

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.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Алексеев, Павел Леонидович

Выводы

1. Разработана математическая модель распределения температуры в объеме металла при радиально-сдвиговой прокатке, учитывающая теплообмен с окружающей средой и валками и неравномерный разогрев от тепла пластической деформации на основе двухмерного уравнения теплопроводности. Созданы алгоритм и программное обеспечение пошагового расчета температуры в каждой точке раската с помощью неявного метода конечных разностей.

2. Разработана методика определения интенсивности тепловых источников в объеме очага деформации и изучен характер тепловыделения при радиально-сдвиговой прокатке. Установлены критерии для оценки теплового поля - значения максимальной и минимальной температуры во всем объеме проката, величины деформационного разогрева, глубины положения максимума температуры от поверхности раската.

3. Разработан тепловизионный способ бесконтактного измерения температуры металла, пригодный для экспериментального исследования теплового режима при РСП. Способ обеспечивает диапазон измеряемых температур 400-1300 °С, разрешающую способность 2 °С, погрешность не более 2%, разрешение термограммы 576x720 элементов. Произведено промышленное испытание тепловизионного способа измерения температуры при различных процессах производства металлопродукции в лабораторных и промышленных условиях, которое показало высокую надежность, достоверность и информативность способа.

4. С помощью тепловизионного способа экспериментально изучено тепловое поле металла при РСП, определено, что максимум температуры (на 10 — 40 °С) выше температуры нагрева находится на глубине 20 — 70% радиуса в зависимости от частного обжатия. Температура поверхности металла на выходе из клети составляет 800 °С и ниже. Через 5 — 8 с после выхода разность температур по сечению уменьшается до 20 °С.

5. Получены зависимости критериев теплового поля заготовки от различных параметров процесса РСП: угла подачи (16 — 20°), обжатия за проход (1 - 20%), частного обжатия (1 - 20%), скорости вращения валков (20 -120 об/мин), времени после выхода раската из клети (0—15 с), длины калибрующего участка (0 — 100 мм), коэффициента тангенциальной раскатки (0 — 0.8) при прокатке титановых сплавов. Отмечено благоприятное влияние увеличения частного обжатия до 15%, угла подачи до 24 - 26°, уменьшения числа циклов деформации и неблагоприятное влияние удлинения калибрующего участка более 70 мм.

6. В результате исследования теплового поля при многопроходной реверсивной прокатке на стане СРВП-130 ОАО «ВСМПО» установлен эффект сглаживания неравномерности температурного поля металла в смежных проходах. Предложен режим прокатки прутка 093 мм из сплава ВТ-6, обеспечивающий благоприятное тепловое поле во всем объеме металла на протяжении всего процесса прокатки. л

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алексеев, Павел Леонидович, 2005 год

1. Деформированние сплошной заготовки в станах винтовой прокатки. / Полухин П.И., Потапов И.Н., Харитонов Е.А. и др. - сборник научных трудов МИСиС, М.: Металлургия, 1976, №96, с.51-56.

2. Онищенко И.И., Романенко В.П., Харитонов Е.А., и др. Новые процессы обработки давлением титановых и высоколегированных малопластичных сплавов. // Известия вузов. Цветная металлургия. 1996, №1, с. 29-31.

3. Харитонов Е.А., Вольшонок И.З., Романенко В.П., Кропотин М.С. Исследование процесса радиально-сдвиговой прокатки слитков циркониевых сплавов на стане РСП-500, // Цветные металлы, 1995 г. № 12, с. 47 50.

4. Потапов И.Н., Харитонов Е.А., Калмыков Н.Ф., и др. Радиально-сдвиговая прокатка слитков большого диаметра из титановых сплавов, // Цветные металлы, 1990 г. № 11, 93-95.

5. Вольшонок И.З. Исследование и разработка промышленной технологии заготовительного передела слитков титановых сплавов радиально-сдвиговой прокаткой. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1992.

6. Зимин В.Я. Исследование процесса деформирования непрерывнолитых заготовок в станах винтовой прокатки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1981.

7. Лисочкин А.Ф. Поперечная прокатка. //Сталь, 1946, №46, с.378387.

8. Смирнов B.C. Поперечная прокатка. М.: Машгиз, 1948, 195 с.

9. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. -М.: Металлургия, 1972, 408 с.

10. Томленов А.Д. Об особенностях расчета напряженного состояния, возникающего при ковке плоскими бойками. // Вестник машиностроения, 1959, №3, с. 46—47.

11. Целиков А.И., Луговской В.М., Третьяков Е.М. Элементы теории поперечной прокатки и холодной прокатки на трехвалковом стане. // Вестник машиностроения, 1961, №7, с. 49-54.

12. Тетерин П.К., Данилов Ф.А., Манегин Ю.В. Исследование процесса косой прокатки в трехвалковом стане. // Сталь, 1957, №2, с. 147— 152.

13. Тетерин П.К. Теория поперечной и винтовой прокатки. — М.: Металлургия, 1983, 270 с.

14. Полухин П.И., Матвеев Ю.М. и др. Напряженное состояние заготовки в станах поперечно-винтовой прокатки с различным количеством рабочих валков. // Производство сварных и бесшовных труб, 1966, вып. 5, с. 97-110.

15. Остренко В.Я., Лисицын А.И. Напряженное состояние в заготовке при поперечной прокатке в трехвалковом стане. // Производство труб, вып. 20, М.: 1968, с. 11-18.

16. Голубчик P.M., Полухин П.И. Исследование процессов производства труб. — М.: Металлургия, 1970, 326 с.

17. Потапов И.Н., Полухин П.И, Технология винтовой прокатки. — М.: Металлургия, 1990, 344 с.

18. Смирнов С.В. Деформируемость и поврежденность металлов при обработке давлением. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Екатеринбург, 1998.

19. Смирнов С.В., Душин B.C., Коробщиков В.Г., Курочкина Л.Г. Исследование напряженно-деформированного состояния при винтовой прокатке сплошной заготовки круглого сечения. // Известия вузов. Черная металлургия. 1998, №5, с. 44-49.

20. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.

21. Смирнов В.И. Курс высшей математики. t.IV ч.2. М.: Наука,1981.

22. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением.

23. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978.

24. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975,368с.

25. Бухмиров В.В., Созинова Т.Е. Метод оценки эффективности разностных схем для решения дифференциальных уравнений гидродинамики и теплообмена // Изв. вузов. Черная металлургия. — 1988. — №1. — с. 66-69.

26. Бухмиров В.В., Крупенников С.А., Созинова Т.Е. Оценка эффективности разностных схем решения задачи теплопроводности // Изв. вузов. Черная металлургия. — 1999. — №9. — с. 58-60.

27. Бермант А.Ф., Араманович И.Г. Краткий курс математического анализа-М.: Наука, 1967, 736с.

28. Восканьянц А.А., Иванов А.В., Панов Е.И. Моделирование процесса горячей поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки методом конечных элементов. Труды Всероссийской научно-технической конференции. М.: МГТУ им. Баумана, 2004 г.

29. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2003. - 448 с.

30. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред.

31. Д.Г.Красковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. — 224 с.

32. Чумаченко Е.Г. Математическое моделированиетехнологических процессов обработки давлением. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1994.

33. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергия, 1978.

34. Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Сплавы для термопар. Справочник, М., Металлургия, 1983.

35. Савельев И.В. Курс общей физики, т.З, М., Наука, 1979, с.213.

36. Каржавин А.В., Улановский А.А. Термоэлектрическая термометрия. Основы, проблемы, развитие // http ://tesey .obninsk.com/techs/thermometry .htm, 2002г.

37. Гордон А.Н. Основы пирометрии. 2-е изд. доп. и перераб. М.: Металлургия, 1971.

38. Тепловизионная техника сегодня. Научно-производственное предприятие АСК-Энергия // http://www.stic-eett.ru/ask/scan.htm, 2002г.

39. Измерительные приборы в промышленности. Каталог-справочник. Санкт-Петербург: Издательство «Крисмас+» 2000, №7,

40. Как развивалась инфракрасная астрономия // Наука и жизнь. №5,1999.

41. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных теплосканирующих приборов: Научно-производственное предприятие АСК-Энергия // http://vmw.stic-eett.ru/ask/srawn.htm, 2002г.

42. Евстигнеев В.В., Яковлев В.И. Проблемы и направления развития интегральных СВС-технологий // http://aomai.ab.ru/Books/Files/2000-03/03/рар03 .html, 2002г.

43. Кучеряев Б.В. Механика сплошных сред. М.: Издательство МИСиС, 2000.

44. Подкустов В.П., Алексеев П.Л. Математическая модель теплового режима прокатки / Сборник научных трудов. М.: МИСиС, 1998, с.45-49.

45. Подкустов В.П., Алексеев П.Л. Исследование температурного режима прокатки // Известия вузов. Черная металлургия. №9, 1999.

46. Харитонов Е.А., Алексеев П.Л., Савченко B.C. Теоретическое определение температурного поля при РСП // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2000. №2.

47. Алексеев П.Л., Харитонов Е.А., Романенко В.П., Савченко B.C. Расчет температурного поля металла при прокатке труб // Сталь. 2001, №11, с. 52 54.

48. Алексеев П.Л., Подкустов В.П. Анализ условий теплоотдачи при охлаждении проката в различных средах / Сборник научных трудов. -Электросталь: ЭПИ МИСиС, 2002, с. 212-219.

49. Алексеев П.Л., Подкустов В.П. Характеристика методов определения температурного поля металла при прокатке. / Сборник научных трудов. Электросталь: ЭПИ МИСиС, 2002, с. 219 - 224.

50. Seredynski F. Prediction of Plate Cooling During Rolling-mill operation. // Journal of The Iron and Steel Institute, March 1973.

51. Howells R.I.L., Ward J, Probert S.D. Thermal Conductances of Contacts at High Temperatures. . // Journal of The Iron and Steel Institute, March 1973.

52. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. — М.: Металлургия, 1980.

53. Галкин С.П. Теория и технология стационарной винтовой прокати заготовок и прутков малопластичных сталей и сплавов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1998.

54. Полухин П.И., Гун ГЛ., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. — М.: Металлургия, 1976,482 с.

55. Третьяков А.В. Зюзин В.И. Механические свойства металлов, и сплавов М.: Металлургия 1975.

56. Смирнов C.B., Соломеин B.A., Душин B.C. и др. Прикладной пакет программного обеспечения для моделирования винтовой прокатки прутков на трехвалковых станах. // Известия вузов. Цветная металлургия. 1997, №6, с. 34-41.

57. Харитонов Е.А. Исследование винтовой прокатки титановых сплавов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1981.

58. Романенко В.П., Тюрин В.А., Алексеев П.Л., Яндимиров А.А. и др. Исследование температурных параметров нагрева и деформации заготовок железнодорожных колес на ОАО «ВМЗ», г. Выкса. Москва: МИСиС, Отчет о НИР, 2003.

59. Тюрин В.А., Исайкин А.Н., Алексеев П.Л., Королев С.А. Температурное состояние заготовок на кузнечно-прокатной линии производства железнодорожных колес. // Тяжелое машиностроение, 2004.

60. Влияние формы слитка на температурное состояние заготовок на линии горячего деформирования при производстве железнодорожных колес, // Сталь, 2004.

61. Романенко В.П., Тюрин В.А., Харитонов Е.А., Алексеев П.Л., Яндимиров А.А. Измерение температуры на поверхности изложниц при кристаллизации слитка // Металлург. 2001, №3, с. 38.

62. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н., Титановые сплавы. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974.

63. Никольский Н.А, Фиглин С.З., Бойцов В.В. и др. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1975.

64. Белов С.П., Брун М.Я., Глазунов С.Г. и др. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1992.

65. Андреев A.JL, Аношкин Н.Ф., Борзецовская К.М. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1978.

66. Попов А.А., Попова JI.E. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-растворах в сплавах титана. М.: Металлургия 1991, 504 с.