Исследование теплового состояния водоохлаждаемых оправок для увеличения их износостойкости при прошивке заготовок из легированных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Бодров, Даниил Валерьевич

• Бодров, Даниил Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бодров, Даниил Валерьевич

Введение.

1 Обзор научно-технической литературы.

1.1 Характеристика условий эксплуатации и износа прошивных оправок

1.2 Сравнительный анализ существующих способов исследования температурных полей технологического инструмента.

1.3 Существующие способы увеличения износостойкости оправок.

2 Исследование теплового состояния водоохлаждаемых прошивных оправок.

2.1 Математическая постановка задачи расчета теплового состояния водоохлаждаемых прошивных оправок.

2.1.1 Выбор краевых условий.

2.1.2 Сравнительный анализ и выбор расчетного метода оценки теплового состояния.

2.2 Исследование теплового состояния водоохлаждаемых оправок.

2.2.1 Методика исследования теплового состояния.

2.2.2 Влияние технологических факторов на тепловое состояние водоохлаждаемых прошивных оправок.

2.2.3 Влияние времени цикла прошивки на тепловое состояние оправок

2.3 Проверка адекватности расчетного теплового поля водоохлаждаемых оправок при прошивке заготовки из стали 20.

2.3.1 Методика проведения промышленного эксперимента.

2.3.2 Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений температуры в характерных точках.

3 Моделирование термонапряженного состояния водоохлаждаемой прошивной оправки.

3.1 Математическая формулировка задачи расчета термических напряжений и алгоритм вычисления.

3.2 Анализ термонапряженного состояния водоохлаждаемой прошивной оправки.

3.3 Влияние времени прошивки на термонапряженное состояние

4 Эффект термоциклического упрочнения и механизм износа водоохлаждаемых оправок.

4.1 Экспериментальное исследование эффекта термоциклического упрочнения материала оправок.

4.1.1 Методика проведения исследования.

4.1.2 Общая характеристика металла для изготовления прошивных оправок.

4.1.3 Краткая характеристика процесса прошивки и условий эксплуатации прошивной водоохлаждаемой оправки.

4.1.4 Краткая характеристика технологии изготовления прошивных водоохлаждаемых оправок.

4.1.5 Исследование микротвердости.

4.1.6 Исследование микроструктуры.

5 Разработка оправок различных конструкций и исследование их теплового и термонапряженного состояния.

5.1 Применение жаропрочного материала для изготовления оправок. /.

5.1.1 Особенности температурного поля.

5.1.2 Выводы по результатам расчета.

5.2 Восстановление изношенных оправок посредством наплавки рабочей поверхности.

5.2.1 Тепловое состояние оправок с наплавкой разной толщины 92 »

5.2.2 Анализ термонапряженного состояния оправок с наплавленным слоем.

5.2.3 Выводы по результатам расчета теплового и i термонапряженного состояния для оправок с наплавкой различной толщины

5.3 Разработка конструкции водоохлаждаемых составных оправок.

5.3.1 Изучение теплового состояния различных вариантов составных оправок.

6 Разработка конструкции оправок с развитой полостью охлаждения и модернизация оправочного стержня.

6.1 Разработка конструкции оправок с развитой полостью t охлаждения и особенности теплового состояния.

6.2 Напряженное состояние оправок с развитой полостью охлаждения.

6.3 Разработка конструкции оправочного стержня и его испытание.

6.4 Совершенствование конструкции оправок с развитой полостью охлаждения.

7 Прогнозирование износостойкости водоохлаждаемых прошивных оправок.¿р.

7.1 Критерий износостойкости и алгоритм прогнозирования.

7.2 Результаты расчета по разработанному алгоритму.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование теплового состояния водоохлаждаемых оправок для увеличения их износостойкости при прошивке заготовок из легированных сталей»

Прошивная оправка является тяжело нагруженным рабочим инструментом прошивных станов поперечно-винтовой прокатки и непосредственно влияет на качество внутренней поверхности гильзы, что в свою очередь определяет качество получаемой трубы. Оправка подвергается циклическому воздействию высоких температур и удельных усилий при прошивке.

Водоохлаждаемые оправки, при некотором усложнении конструкции выходной стороны прошивного стана более эффективны, а их износостойкость вполне удовлетворительна. Однако, при прошивке легированные сталей она резко снижается и в некоторых случаях становится критической. Используемые для изготовления оправок конструкционные инструментальные стали не вполне удовлетворяют более жестким условиям эксплуатации, а известные способы увеличения их износостойкости не всегда эффективны.

Интенсивный износ оправки при прошивке легированных сталей наступает из-за пластической деформации ее носка, когда удельные усилия на контактной поверхности превышают сопротивление деформации материала оправки при температуре, до которой она разогревается. Трещины в виде сеткй- разгара образуются на оправке из-за термических напряжений циклического характера, появляющихся при нагреве во время прошивки и охлаждения, в паузах между проходами. Оплавление рабочей поверхности оправки и налипание металла характерно в основном при прошивке гильз из тугоплавких материалов и нержавеющих сталей.

Таким образом, одним из основных факторов определяющим стойкость оправок является уровень температуры и её распределение по объёму прошивного инструмента.

В связи с вышеизложенным, исследования направленные на увеличение износостойкости прошивных оправок являются весьма актуальной научно-технической задачей, решению которой и посвящена настоящая работа.

Автором выносятся на защиту:

- результаты исследований теплового состояния водоохлаждаемой оправки и результаты расчета;

- результаты расчета термонапряженного состояния водоохлаждаемых прошивных оправок;

- результаты исследования механизма износа оправок изготовленных из конструкционной хромоникелевой стали;

- закономерности теплового и термонапряженного состояния оправок с наплавкой," составных с применением различных жаропрочных материалов и результаты опытно-промышленного опробования;

- конструкцию оправок циркуляционного типа с изменением условий охлаждения, а также конструкцию оправочного стержня;

- алгоритм прогнозирования износостойкости водоохлаждаемых прошивных оправок.

Целью настоящей работы является исследование теплового и термонапряженного состояния водоохлаждаемых оправок при прошивке легированных сталей и разработка на этой основе способов увеличения их износостойкости.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- произвести сравнительный анализ и выбрать рациональный метод расчета температурных полей водоохлаждаемых прошивных оправок;

- определить тепловое и термонапряженное состояние водоохлаждаемых оправок, исследовать влияние на них технологических факторов прошивки и оценить адекватность полученных результатов в промышленных условиях;

- изучить механизм износа водоохлаждаемых оправок из конструкционных хромоникелевых сталей и эффект термоциклического упрочнения; ^

- определить тепловые поля оправок различных конструкций и проверить в промышленных условиях их эффективность;

- предложить конструкцию оправки без выпрыска воды и пара для прошивки высокохромистых сталей;

- разработать методику прогнозирования износостойкости оправок при прошивке углеродистых и легированных сталей и проверить её адекватность. I

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Бодров, Даниил Валерьевич

Основные выводы *

1. Выполнено сравнение двух методов расчета, по результатам которого метод конечных элементов выбран как наиболее приемлемый для получения тепловых полей водоохлаждаемых оправок.

2. Произведен расчет теплового поля и установлены основные закономерности влияния технологических факторов на уровень температур в объеме водоохлаждаемой прошивной оправки. Выявлены области подверженные наибольшему температурному воздействию - носок и сферическая поверхность. Установлено, что основное воздействие на уровень температур оказывает время контакта заготовки с гильзой. Проанализирована I зависимость снижения температуры посредством варьирования технологическими параметрами. На основании промышленных экспериментов установлена адекватность полученных результатов.

3. На основе полученных параметров теплового поля и внешнего нагружения произведена оценка термонапряженного состояния оправки, областями подтвержденными наибольшему температурному воздействию являются сферическая часть и внутренняя поверхность охлаждения под ней. Также установлено, что со снижением времени контакта заготовки и оправки уровень напряжений уменьшается. I

4. В результате анализа изменения микроструктуры конструкционной хромоникелевой стали используемой для изготовления прошивных оправок, установлен основной механизм износа - обезуглероживание наружной поверхности. Это происходит вследствие попадания в температурный диапазон с интенсивной диффузией углерода при нагреве во время прошивки характерного для хромоникелевых сталей. Подтвержден эффект термоциклического упрочнения, позволяющий увеличить срок службы оправок при прошивке легированных сталей.

5. Установлены особенности теплового и термонапряженного состояния оправок с наплавкой рабочей поверхности и составных с жаропрочным носком. Выработана рекомендация по толщине наплавляемого слоя при восстановлении изношенных оправок, которая должна составлять не менее 4 мм. Произведено опытно-промышленное опробование составной оправки с соединением носка по резьбе. По результатам эксперимента -преждевременного выхода оправки из строя из-за зазоров в резьбовом соединении, рекомендовано производить нарезку резьбы внутри носка для вворачивания основной части. Соединение сваркой трением является наиболее приемлемым вариантом, для более эффективной работы необходимо увеличить длину присоединяемой жаропрочной части.

6. Спроектирована оправка циркуляционного типа, позволяющая проводить прошивку нержавеющих сталей без попадания воды и пара на внутреннюю поверхность. Проведено комплексное исследование - тепловых, силовых и гидравлических условий работы этих оправок, также разработана конструкция прошивного стержня. Обосновано увеличение давление в гидравлической системе до 20 атм, что совместно с предложенной конструкцией стержня позволит интенсифицировать эффективность охлаждения. Выработаны рекомендации по конфигурации наружной и внутренней поверхностей водоохлаждаемых оправок. Получен патент РФ № 2423194.10.07.2011 г.

7. На, основе проведенных исследований разработана комплексная компьютерная программа, учитывающая тепловое состояние оправки, материал заготовки, настройки стана, позволяющая прогнозировать износостойкость прошивных оправок. Имеет практическую значимость для предварительной оценки вида износа и продолжительность срока службы оправок для конкретного вида сортамента и с учетом эффекта термоциклического упрочнения. Установлена её адекватность в промышленных условиях ОАО «СинТЗ».

8. Результаты исследований и рекомендации приняты для использования на ОАО «СинТЗ». *

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бодров, Даниил Валерьевич, 2012 год

1. Матвеев Ю.М., Ваткин Я.Д. Калибровка инструмента трубных станов. М.*-Металлургия, 1970,480 с.

2. Хавкин Г.О., Бродский В.М., Лисовая Г.В. Сравнительная характеристика водоохлаждаемых оправок прошивного стана, изготовленных различными способами. / Сталь.- 2004 № 8 - С. 60-62.

3. Боровков А.Н., Светлицкий Е.А. Применение несменяемой оправки на прошивном стане трубопрокатного агрегата 400. / Сталь.-1958.-№ 10. С.926-927.

4. Шапиро И.А., Хавкин Г.О., Бродский В.М. Повышение эффективности использования оправок прошивных станов. / Сталь.-2009.-№9.-С.75-76.

5. Кауфман М.М. Прошивка заготовок с применением водоохлаждаемых оправок. / Сталь.-1958.-№2.С.144-151.

6. Финкелыптейн Я.С., Щеголь Т.С. Повышение стойкости невращающихся оправок прошивных станов. / Сталь.-1957.-№12.-С.1099-1103.

7. Сванидзе Ш.Г. Оправки повышенной стойкости для прошивных станов. / Сталь.-1976-№ 9.-С.-840-841.

8. Прокатка и прессование труб из тугоплавких металлов. / А.П. Коликов, И.Н. Потапов, П.И. Полухин и др. М.: Металлургия, 1979, 240 с.

9. Исследование стойкости технологического инструмента при высокотемпературной винтовой прокатке. / А.П. Коликов, A.B. Крупин, И.Н. Потапов и др. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1976-№5.-С.125.

10. Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин В.Г. Горячая прокатка и прессование труб. -М.: Металлургия. 1972, 576 с.

11. Обработка металлов давлением: Учебник для ВУЗов / Б.А. Романцев, A.B. Гончарук, Н.М. Вавилкин, C.B. Самусев. -М.: МИСиС, 2008, 960 с.

12. Касьян В.Х., Мазур C.B. Влияние температурно-силовых условий деформации на стойкость прошивных оправок. / Металлургическая и горнорудная промышленность.-2003 .-№2.-С.57-61.

13. Тавадзе Ф.Н., Оклей Л.Н., Жамнерашвили Г.В. Исследование распределения температуры в оправке первой прошивки. / Сталь.-1964-№3.-С.252-253.I

14. Вавилкин Н.М., Бухмиров В.В. Прошивная оправка. М.: МИСИС, 2000, 128 с.

15. Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением / Н.И. Яловой, М.А. Тылкин, П.И. Полухин и др. // Учеб. пособие для вузов. М: Высшая школа, 1973, 631 с.

16. Тылкин М.А., Яловой Н.И., Полухин П.И. Температуры и напряжения в деталях металлургического оборудования. М.: Высшая школа, 1970, 428 с. .

17. Температурный режим и напряженное состояние оправок прошивных станов / И.П. Барыкин, A.M. Вашуров, A.A. Федотов и др. // Труды УАИ.-1973 г.-№47.-С.118-122.

18. Баскаков А.П., Толмачев Е.М., Добыш А.Н. Тепловой режим охлаждаемой оправки прошивного стана. / Сталь.-2006-№З.С.55-58.

19. Андреев Е.А. Исследование работы валков и оправок прошивных станов. Автореферат кандидатской диссертации. Днепропетровск, 1972, 182 с.

20. Самигулин Н.С. Разработка и внедрение составных конструкций и рациональных температурных режимов работы дорнов пилигримового стана. Автореферат кандидатской диссертации. Москва, 1983, 169 с.

21. Лыков A.B. Теория теплопроводности.-М.: Высшая школа, 1967, 602с.

22. Владимиров В. С. Уравнения математической физики. — 4-е изд. — М.: Наука, 1981.512 с.

23. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. — 5-е изд. — М.: Наука, 1977. 735 с.

24. Прилепко А.И., Калиниченко Д.Ф. Асимптотические методы и специальные функции. — М.: МИФИ, 1980. 107 с.

25. Polyanin A. D., Manzhirov А. V. Handbook of Integral Equations. CRC Press, Boca Raton, 1998. 796 p.

26. Калиткин H.H. Численные методы.-М.:Наука, 1978. 512 с.

27. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. М.: Металлургия, 1990, 239 сГ

28. Lewis R.W., Nithiarasu P., Seetharamu K.N. Fundamentals of the finite element method for heat and fluid flow. John Wiley Sons Ltd. 2004. 343 p.

29. Зильберг Ю.В. Теория обработки металлов давлением. Монография. Днепропетровск: Пороги, 2009.434 с.

30. Анализ теплового и напряженного состояния оправки при прошивке. / A.B. Белевич, O.K. Матыко, A.C. Алещенко и др. // Известия ВУЗов. Черная металлургия.-2008.-№11.-С.11-14.

31. Манегин Ю.В., Анисимова И.В. Стеклосмазки и защитные покрытия для горячей обработки металлов. М.:Металлургия, 1978. 223 с.

32. Ведякин Н.М., Ячменев А.Н., Михайлова Л.П. Прошивка труб на оправках со смазкой // Сталь.- 1974-№2.-с. 156-159.

33. Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки.- Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1990. 344 с.

34. Тетерин П.К. Теория поперечной и винтовой прокатки. Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1983. 270 с.

35. Процкий Н.Е., Мавродий П.Д. Внедрение охлаждаемых оправок на дисковом прршивном стане // Сталь.-1959-№6-с.546-550.

36. Коликов А.П. Осадчий В.Я., Яралиев Н.Г. Исследование стойкости инструмента прошивных станов. // Известия ВУЗов. Черная металлургия — 1972-№5.-С.94-97.

37. Потапов И.Н., Шаманаев В.И., Соболь A.A. Новая технология получения полых толстостенных заготовок. // Передовой производственный опыт.-1986-№6.-С.6-8.

38. А.с.1340843 СССР, МКИЗ В21 В25/00. Оправка прошивного стана. К.В. Барабадзе, Веремеевич А.Н., Друян В.М. №4050313/31-02

39. Коликов А.П., Крупин A.B., Потапов И.Н. Исследование стойкости технологического инструмента при высокотемпературной винтовой прокатке. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1976-№5.-С.125-128.

40. Садоков Г.М. Повышение стойкости трубопрокатного инструмента // Всесоюзное совещание работников трубной промышленности. Труды-научно-технического общества черной металлургии.-1963-Том ЗЗ-С.159-162.

41. Манегин Ю.В., Лузин Ю.Ф., Мусорина И.Е. Особенности процесса прошивки заготовок в косовалковом стане с применением молибденовыхтоправок. // Производство бесшовных труб.-1973-№2- с. 11-17.

42. Прокатка и прессование труб из тугоплавких металлов. / А.П. Коликов, И.Н. Потапов, П.И. Полухин и др. М.: Металлургия, 1979, 240 с.

43. A.c. 204283 СССР, МКИЗ В21 В25/00. Оправка трубопрокатного стана Манегин Ю.В., Лузин Ю.Ф., Лобашов Б.П. №1099357/22-2

44. Процкий Н.Е. Усовершенствование трубопрокатного инструмента на Южнотрубном заводе // Всесоюзное совещание работников трубной промышленности. Труды научно-технического общества черной металлургии.-1963-том 33-С.163-166.

45. Белошапко М.В., Кармазина Т.Р. Износ оправок при прошивке заготовок из нержавеющих сталей // Днепропетровский металлургический институт. Жеп. В ЦНИИ Черметинформация 21.11.86 №3687.

46. Дубровский И.В., Матлахов Л.И. Расположение оправки и образование плен на трубах // Сталь.-1947-№7-С.626-629.

47. Arpaci V.S. Conduction heat transfer. Addison - Wesley Publishing, 1966, 551 p. **

48. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Справочник. М: Атомиздат, 1979, 216 с.

49. Северденко В.П., Макушок Е.М., Равин А.Н. Окалина при обработке металлов давлением. М: Металлургия, 1977, 208 с.

50. Исследование теплового эффекта при винтовой прокатке. / И.Н. Потапов, Б.А. Романцев, Е.А. Харитонов и др. Пластическая деформация металлов и сплавов. Труды МИСиС, вып. 93. - М.: Металлургия, 1977 - С. 56-59.

51. Зюзин В.И. Труды ВНИИМетмаш Сб.№8 М.: ВНИИМаш, 1963. -С.74-89.

52. Андреюк Л.В., Тюленев Г.Г. Сталь, 1972.-№9.-С.825-828.

53. Тюленев Г.Г., Борисов Ю.А., Кокорина Р.П., Антипов В.Ф. Бюллетень института Черметинформация,1975.-№15.-С.39.

54. Андреюк Л.В., Тюленев Г.Г.,Прицкер Б.С. Сталь, 1972.-№6.-С.522523.

55. Основы проектирования деформирующего инструмента: Учебник для вузов / Д. И. Васильев, М. А. Тылкин, Г. П. Тетерин. М: Высшая школа, 1984, 223 с.

56. Стукач Л.Г. Сталь, 1955.-№7.-С.626-629.

57. Зайков М.А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке. -М.: Металлургиздат, 1960, 302 с.

58. Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания: Справ, пособие. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979, 224 с.

59. Тайц Н.Ю., Кадинова A.C. Теплотехнические основы струйнойзакалки труб. / Сталь.- 1960.-№7.-С.655-657.t

60. Астахов И.Г., Белосевич В.К., Ионов С.М., Лебедев Л.С. Определение коэффициента теплоотдачи прокатных валков при охлаждении водой. // Научные труды МИСиС. М.: Металлургия, 1977, №102.

61. Лабейш В.Г. Жидкостное охлаждение высокотемпературного металла Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1983, 172 с.

62. Михеев М.А. Основы теплопередачи, изд. третье перераб. М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1956, 394 с.

63. Шишков М.М. Марочник сталей и сплавов: Справочник. Изд. 3-е доп. Донецк, 2000, 456 с.

64. Богатов A.A. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002, 329 с.

65. Изготовление полых профилированных заготовок / Б.А. Романцев, И.Н. Потапов, A.B. Гончарук, В.А. Попов. М: НПО «ИнформТЭИ», 1992, 266 с.

66. Постный В.А., Стовченко А.П., Кирсанов Н.В. Исследование качества и эффективности комбинированной послойной наплавки валков. / Сталь. 1994.-№ 10.-С.5 8-60.

67. Ваткин Я. Л., Ваткин Ю. Я. Трубное производство. М.: Металлургия, 1970,512 с.

68. Коваленко А.Д. Основы термоупругости. Киев.: Наукова думка, 1970,308 с.

69. Алямовский A.A. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике. Спб.: БХВ-Петербург, 2008, 1040 с.

70. Kurowski P.M. Engineering Analysis with COSMOSWorks Professional. SDC publications,2006,23 8 p.

71. Development of heat treatment regimes for preparing a fîne-grained structure. / Sazonov, A.A. Komissarov, Yu.V. Smirnova. // Métal Science and heat treatment 2009-vol.5 l-p.223-229.

72. Тылкин M.A. Прочность и износостойкость деталей металлургического оборудования. М.: Металлургия, 1965,347 с.

73. Тылкин М. А. Повышение долговечности деталей металлургического оборудования. М., Металлургия, 1971,608 с.

74. Коррозионные, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справ, изд. / А.П. Шлямлев, Т.В. Свистунова, О.Б. Лапшина и др. М.: «Интермет Инжиниринг». 2000. - 232 с.

75. Повышение износостойкости оправок прошивного стана. / Романцев Б.А., Матыко O.K., Гончарук А.В. и др. // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008.-№ 11.-С. 16—19.

76. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов М.: Машиностроение, 1990. 668 с.

77. Теория прокатки. Справочник. / А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин и др. Jkl.: Металлургия, 1982,335 с.

78. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд. доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. М.: Машиностроение, 2003, 784 с.

79. Стали и сплавы. Марочник: справ, изд. / В.Г. Сорокин, М.А. Гервасьев, B.C. Палеев и др. М.: Интернет Инжиниринг, 2001, 608 с.

80. Механические свойства сталей и сплавов при обработке металлов давлением. Справочник. 2-е изд. / A.B. Третьяков, В.И. Зюзин. М.: Металлургия, 1973, 224 с.

81. Машиностроительные материалы. Карманный справочник. / A.A. Жуков, JI.П.'Лужников, С.Я. Дынкина М.: Машиностроение, 1967, 193 с.

82. Масленников С.Б. Жаропрочные стали и сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1983, 192 с.

83. Бородулин Г.М., Мошкевич Е.И. Нержавеющая сталь. М.: Металлургия, 1973, 320 с.

84. Франценюк И.В., Франценюк Л.И. Современные технологии производства металлопроката на Ново-Липецком металлургическом комбинате. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003, 208 с.