Разработка и исследование процессов прессования длинномерных и непрерывнолитых заготовок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Волков, Сергей Михайлович

• Волков, Сергей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волков, Сергей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРЕССОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ И НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК.

1.1. Обзор способов и технологических процессов непрерывного и полунепрерывного прессования.

1.2. Обзор способов совмещения литья и деформационной обработки металлов и сплавов.

1.3. Конструкции МНЛЗ, пригодные для прямого совмещения с прессовыми установками.

1.4. Постановка задачи на разработку новых композиционных структур совмещения процессов непрерывного прессования и разливки металлов

2. НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И КОМПОЗИЦИОННАЯ СТРУКТУРА АГРЕГАТОВ ПРЯМОГО СОВМЕЩЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ПРЕССОВАНИЯ.

2.1. Конструктивные варианты прессов для прессования длинномерных и непрерывнолитых заготовок.

2.2. Композиционная структура литейно-прессового агрегата.

2.3. Постановка задач диссертационного исследования.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ.

3.1. Конечно-элементная модель и количественный анализ кинетики затвердевания слитка при непрерывном литье с большим шагом вытягивания.

3.2. Расчет температурного поля непрерывнолитой заготовки.

3.3. Расчет температурного поля в очаге деформации при формировании плоскоовального сечения прессовой заготовки прокаткой.

3.4. Теоретический анализ процесса валкового обжатия непрерывнолитой заготовки.

3.5. Расчет формоизменения при обжатии полой плоскоовальной заготовки на оправке в разъемном контейнере пресса.

3.6. Выводы.

4. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ И НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК.

4.1. Экспериментальная оснастка и методика определения коэффициента вытяжки при обжатии плоскоовальной и квадратной заготовки сегментами разъемного контейнера.

4.2. Экспериментальная оснастка и методика определения зависимости относительной длины зоны трения контейнера от коэффициента вытяжки.

4.3. Методика определения работы на деформацию при внедрении заготовки в конусную часть контейнера.

4.4. Экспериментальная оснастка и методика для изучения формоизменения, условий трения и силовых параметров при обжатии плоскоовальной заготовки в двухсегментном разъемном контейнере пресса.

4.5. Методика экспериментального исследования формоизменения заготовки при прокатке по схеме "круг-плоский овал".

4.6. Экспериментальная оснастка и методика моделирования процесса полунепрерывного прессования сплошных и полых пресс-изделий.

4.7. Выводы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ И

НЕПРЕРЫВНО ЛИРЫХ ЗАГОТОВОК.

5.1. Определение коэффициента вытяжки при обжатии плоскоовальной и квадратной заготовки сегментами разъемного контейнера.

5.2. Экспериментальное определение зависимости относительной длины зоны трения контейнера от коэффициента вытяжки.

5.3. Экспериментальное определение работы на деформацию при внедрении заготовки в конусную часть контейнера.

5.4. Изучение формоизменения, условий трения и силовых параметров при обжатии плоскоовальной заготовки в двухсегментном разъемном контейнере пресса.

5.5. Исследование формоизменения при обжатии в гладких валках непрерывнолитой круглой заготовки.

5.6. Моделирование процесса полунепрерывного прессования сплошных и полых пресс-изделий.

5.7. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование процессов прессования длинномерных и непрерывнолитых заготовок»

Как известно, одним из основных направлений в области развития металлургической промышленности является разработка технологий, имеющих все более и более низкие энергозатраты. К таким технологиям можно отнести и относительно новые процессы, основанные на совмещении литейных и деформационных агрегатов. Основная идея совмещения подобных установок - это использование тепла литейного передела для последующей горячей обработки. Таким образом, отсутствие промежуточного нагрева обрабатываемого металла, занимающего ощутимую долю в общих энергетических затратах, позволяет значительно снизить энергоемкость производства.

В настоящее время достаточно широко распространены совмещенные литейно-прокатные комплексы. В данных комплексах прокатное оборудование устанавливается в непосредственной близости от кристаллизатора горизонтальной MHJI3. Отливаемая заготовка через систему проводок без промежуточного складирования сразу же подается в прокатную клеть, в которой горячая деформация осуществляется засчет тепла, полученного металлом в MHJI3. Опыт использования литейно-прокатных комплексов подтверждает эффективность совмещения литейных и деформационных агрегатов. Следовательно, дальнейшее развитие данного направления можно считать достаточно актуальным. Тем более, что подобные совмещенные комплексы, имеющие укороченный технологический цикл, все чаще используются для создания миниметаллургических производств, позволяющих при небольших годовых объемах производства (порядка 3-5 тыс. тонн в год для цветной металлургии) быть экономически целесообразными.

Как известно, процесс прокатки как в классическом понимании, так и в рамках литейно-прокатных комплексов обладает определенными недостатками, основные из которых это - большие финансовые и временные затраты на перенастройку прокатного оборудования на другую форму профиля или другой сплав, а также недостаточная для обработки без разрушения некоторых малопластичных сплавов схема напряженного состояния. Эти недостатки становятся достаточно вескими при внедрении данных технологий на заводах по обработке цветных металлов и сплавов. На подобных производствах наличие нескольких десятков сплавов и нескольких сотен типоразмеров профилей, некоторые из которых зачастую проходят разовыми заказами, делают процесс прокатки нерентабельным.

Таким образом, для реализации концепции литейно-деформационного комплекса в области обработки цветных металлов необходимо применение более универсального способа деформации литой заготовки. В этом случае наиболее перспективным решением может оказаться применение процесса прессования. Тем более, что к настоящему времени наукой уже накоплено достаточно данных по способам непрерывного и полунепрерывного прессования, имеющих потенциальную возможность для обработки длинномерной и непрерывнолитой заготовки, таких как "Линекс", "Конформ", "Экстролинг", гидропрессование, прессование с разъемным контейнером, прессование с пережимом заготовки и т.д.

Однако, получение длинномерных пресс-изделий сравнительно крупных поперечных сечений вряд ли возможно на машинах "Конформ", "Экстролинг", "Линекс" и других, реализующих подобный принцип совмещения литья и деформации. С увеличением сечения заготовки, отливаемой любым способом, растет ликвационная неоднородность, размеры зерна и потребная для устранения этих несовершенств исходной структуры металла степень деформации. В этих процессах достижение больших вытяжек проблематично. В сортамент этих установок нельзя включить фасонные профили с развитой конфигурацией сечения и полые профили, которые не могут прессоваться через комбинированные (язычковые) матрицы из-за неудовлетворительной свариваемости сплавов.

Прессование заготовки сравнительно большого сечения позволяет достигать значительных вытяжек для обеспечения производительности и проработки литой структуры металла, и производить продукцию широкого сортамента без переналадки литейной установки с незначительной и оперативной переналадкой прессовой оснастки. Получать сложные профили с минимальными припусками на пластическую обработку литьем через графитовые кристаллизаторы при существующем уровне развития техники и технологии невозможно. Процесс прессования из заготовки крупного сечения значительно стабильнее по температурному режиму, чем "Конформ", "Экстролинг" и "Линекс", где контроль теплового режима затруднен и требует привлечения эффективных средств автоматического регулирования, которые не всегда обеспечивают оптимальный температурный режим обработки из-за сложности отображения теплового профиля заготовки на всей трассе ее движения от зоны кристаллизации до прессовой матрицы.

Таким образом, одним из перспективных, с точки зрения широкого сортамента продукции и энергосбережения, вариантов литейно-прессового агрегата можно считать вариант, включающий горизонтальную машину непрерывного литья прессовых заготовок с большим шагом вытягивания и горизонтальный гидравлический пресс непрерывного прессования с разъемным контейнером. При этом, реальна возможность решить многие проблемы, характерные как для горизонтальной разливки, так и для традиционного прессования.

Научная новизна:

- получено научно обоснованное доказательство возможности прямого совмещения горизонтальной непрерывной разливки металлов и сплавов с непренывным прессованием сплошных профилей и труб неограниченной длины;

- разработаны математические модели для описания температурных полей в непрерывнолитой заготовке на стадии затвердевания слитка, его охлаждения в зоне вторичного охлаждения и на трассе передачи прессовой заготовки к контейнеру пресса;

- установлены качественные и количественные зависимости параметров деформирования при валковом обжатии непрерывнолитой заготовки и при поперечной осадке плоскоовальной прессовой заготовки в разъемном контейнере пресса от марки сплава, относительного обжатия и от относительной подачи;

- экспериментально установлены форма и контактные условия разъемных контейнеров пресса, обеспечивающие надежное удержание длинномерной заготовки в контейнере.

Практическая ценность:

- программы расчета кинетики затвердевания и температурных полей в литой и предварительно деформированной заготовке позволяют определить положение сечения слитка, в котором завершается кристаллизация металла, установить режим работы зоны вторичного охлаждения и подобрать условия теплопередачи от слитка к окружающей среде, при которых возможно горячее прессование непрерывнолитой заготовки без дополнительного подогрева;

- математическая модель и созданное программное обеспечение расчета формоизменения при валковом обжатии непрерывнолитой заготовки дают возможность определения параметров литья и деформации, при которых сформированное поперечное сечение прессовой заготовки обеспечивает при смыкании контейнера заполнение металлом его сечения;

- экспериментально полученные закономерности деформирования при радиальной осадке плоскоовального и квадратного сечений прессовой заготовки при смыкании секторов разъемных контейнеров прессов позволяют рационально выбрать величину относительной подачи заготовки в контейнер, ход прессования и длину шага вытягивания в MHJI3, при которых обеспечивается оптимальная обратная отдача слитка в кристаллизатор, предотвращающая прорыв корочки слитка;

- результаты технологических и экспериментальных исследований достаточны для создания надежной методики проектирования технологии изготовления горячепрессованных профилей и труб из длинномерных и непрерывнолитых заготовок с использованием тепла литейного передела;

- разработанные новые способы полунепрерывного прессования длинномерных заготовок позволяют сконструировать достаточно простые и надежные прессовые установки, или реконструировать существующие горизонтальные трубо-профильные прессы для реализации совмещенного процесса "литье-прессование", дающего возможность увеличить производительность прессовых агрегатов, существенно снизить металоотходы и расширить сортамент выпускаемой продукции засчет длинномерных профилей и труб.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Волков, Сергей Михайлович

5.7. Выводы

• По результатам моделирования на модельном материале свинце с использованием экспериментального оборудования изучены следующие параметры процесса полунепрерывного прессования:

• зависимость длины зоны трения контейнера от величины вытяжки при полунепрерывном прессовании и геометрии контейнера. Получены графики экспериментальной зависимости, которые, в дельнейшем, можно использовать при проектировании процесса;

• влияние относительной подачи и формы заготовки на величину отдачи (вытяжки) при обжатии плоскоовальной и квадратной заготовок в двухсегментном и четырехсегментном разъемном контейнере соответственно. Получены графики экспериментальных зависимостей, которые также могут быть использованы при дальнейшей разработке режимов скоростного совмещения в литейно-прессовых агрегатах;

• механизм значительного уменьшения длины зоны трения контейнера при применении конусного контейнера. На основании исследований даны рекомендации по выбору угла конусности контейнера;

• силовые параметры обжатия сплошной и полой плоскоовальной заготовок в двухсегментном разъемном контейнере. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании конструкции разъемного контейнера.

Произведена экспериментальная проверка теоретических расчетов формоизменения при обжатии полой плоскоовальной заготовки на оправке в двухсегментном разъемном контейнере и расчетных параметров процесса прокатки по схеме "круг - гладкая бочка". Проведенная проверка показала, что результаты теоретических расчетов с достаточной для инженерных расчетов точностью отражают реальные процессы и могут быть использованы при дальнейшем проектировании процесса полунепрерывного прессования, а также литейно-прокатных агрегатов.

С использованием сконструированной на основе проведенных исследований экспериментальной прессовой установки промоделирован процесс полунепрерывного прессования полого и сплошного пресс-изделия из длинномерной плоскоовальной заготовки. В результате на модельном материале - свинце показана возможность практического осуществления процесса полунепрерывного прессования с разъёмым коническим контейнером.

Таким образом, полученных в результате выполнения данной работы теоретических и экспериментальных данных вполне достаточно для расчета всех основных параметров процесса полунепрерывного прессования и режимов работы совмещенного литейно-прессового агрегата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа современного состояния техники и технологии прямого совмещения литья с деформационной обработкой и, в частности, с прессованием, а также процессов прессования длинномерных и непрерывнолитых заготовок, предложены новые варианты композиционной структуры литейно-прессовых агрегатов и комплексов, позволяющих реализовать технологии получения длинномерных профилей широкого

• сортамента из непрерывно- и полунепрерывнолитых слитков.

2. Предложенная и исследованная технология дает возможность расширить сортамент горячепрессованных изделий засчет профилей неограниченной длины, существенно повысить выход годного в прессовом переделе, исключив удаление пресс-остатков и пресс-изделий с пресс-утяжиной, обеспечить значимое энергосбережение, эффективно используя тепло плавильно-литейного передела при горячей пластической обработке, снизить металлоемкость основного технологического оборудования и сократить потребность в производственных площадях.

3. Предложенная технология, включая горизонтальную непрерывную разливку со сравнительно большим шагом вытягивания и прессование длинно- и бесконечномерных заготовок из разъемного контейнера, кроме достижения естественного для нее технологического результата решает некоторые принципиальные проблемы самих совмещаемых процессов. Горизонтальная разливка может осуществляться без применения g, дорогостоящих и трудно управляемых вытяжных устройств, несовершенство конструкции которых до настоящего времени сдерживает широкое промышленное применение этой, без сомнения, перспективной разновидности непрерывного литья заготовок. Упрощаются конструкции прессовых установок засчет удаления сложных устройств подачи слитков, элеваторов подачи пресс-шайб на ось прессования, механизмов удаления пресс-остатков и отделения их от пресс-шайб и устройств нагрева заготовок.

4. Решение краевой задачи теплопроводности в конечноэлементной постановке с учетом фазового перехода расплава в твердое состояние позволило определить положение сечения слитка, в котором завершается кристаллизация при горизонтальном литье с большим шагом вытягивания, и сформулировать краевые условия задачи расчета температурных полей в литой заготовке на трассе ее подачи от МНЛЗ к прессу. Численная реализация этих задач показала возможность осуществить прессование в ф допустимом температурном интервале горячего деформирования, используя только остаточное после литья тепло заготовки. Приведенное в работе решение тепловых задач непрерывной разливки доказывает возможность исключения дополнительного подогрева литой заготовки перед ее подачей в" контейнер пресса и позволяет определить рациональное взаимное расположение литейного и деформационного агрегатов.

5. В лабораторных условиях, но на промышленном гидравлическом прессе усилием 1 МН с использованием специально сконструированной и изготовленной установки показана возможность осуществления полунепрерывного обратного прессования длинномерных плоскоовальных и квадратных в сечении заготовок из разъемных контейнеров, удерживающих заготовку силами трения на контактной поверхности, с получением как сплошных, так и полых профилей. Установлена зависимость минимально допустимой длины рабочей поверхности контейнера от вытяжки и конфигурации полости контейнера.

6. Экспериментальным путем установлены соотношения между длиной оттеснения металла из контейнера и величиной подачи заготовки на прессование при каждом очередном шаге вытягивания в случаях поперечной осадки плоскоовального и квадратного сечений соответственно двух- и четырехсегментным разъемным контейнером. Величина осевого оттеснения металла при поперечной осадке заготовки, принятая равной требуемой длине отдачи слитка при горизонтальном литье, однозначно определяет шаг подачи заготовки в контейнер и вытягивания слитка из кристаллизатора, а также приемлемый по условиям непрерывного литья ход пресс-штемпеля при прессовании.

7. С использованием известных походящих функций, задающих виртуальное поле скоростей, и с учетом неоднородности распределения температуры в зоне обжатия выполнено решение вариационной задачи определения показателей деформированного состояния и формоизменения при прокатке на гладких валках круглой в сечении заготовки и, следовательно, найдены параметры обжимной прокатки слитка, гарантирующие получение плоскоовального сечения прессовой заготовки, удовлетворяющего условию заполнения металлом контейнера при полном смыкании его сегментов.

8. Разработана и применена методика, а также создано программное обеспечение для анализа деформированного состояния в условиях осесимметричной деформации по методу координатных сеток, позволяющие засчет автоматизации существенно повысить производительность процедуры замера координат сетки и совместить операции расчета компонент тензора деформации с предварительным статистическим анализом. Определение с помощью этого метода положения границы между жесткой и пластической зонами и объема пластической зоны при обратном прессовании дает возможность расчета силы прессования и, следовательно, минимально допустимой длины рабочей зоны контейнера, поскольку силы трения на контейнере удерживают заготовку от смещения во время прессования. щ Методика автоматизированной обработки координатных сеток и расчета показателей деформированного состояния отработана до уровня возможности ее использования в лабораторном практикуме студентов по дисциплине "Основы технологических процессов ОМД". Программы сопровождения методики установлены на лабораторные ЭВМ, приготовлена инструментальная оснастка и осуществлено пробное проведение лабораторной работы по определению объема пластической зоны при прямом и обратном прессовании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Волков, Сергей Михайлович, 2006 год

1. Жолобов В.В. Прессование металлов. 2-е изд. перераб. и доп. / В.В. Жолобов, Г.И. Зверев. М. : Металлургия, 1971. - 450 с.

2. Гун Г.Я. Прессование алюминиевых сплавов (Математическое моделирование и оптимизация) / Г.Я. Гун, В.И. Яковлев, Б.А. Прудковский, A.M. Галкин, А.Ф. Рыжков, М.Ф. Головинов, А.И. Брунилин. М.: Металлургия, 1974. - 336 с.

3. Перлин И.Л. Теория прессования металлов / И.Л. Перлин, JI.X. Райтбарг : 2-е изд. М. : Металлургия, 1975. - 448 с.

4. Ерманок М.З. Прессование труб из алюминиевых сплавов / М.З. Ерманок, JI.C. Каган, М.Ф. Головин. М. : Металлургия, 1976. - 248 с.

5. Райтбарг JI.X. Производство прессованных профилей / JI.X. Райтбарг. -М. : Металлургия, 1984. 264 с.

6. Щерба В.Н. Прессование алюминиевых сплавов / В.Н. Щерба. М. : Интермет Инжиниринг, 2001. - 768 с.

7. Охрименко Я.М. Активное и гидростатическое прессование / Я.М. Охрименко, B.JI. Бережной, В.Я. Соловьев, Б.С. Векшин, В.Н. Щерба // Университет технического прогресса в машиностроении. М. : Машиностроение, 1975.

8. Охрименко Я.М. Процессы деформации с активным действием сил трения / Я.М. Охрименко, В.Н. Щерба, А.В. Гусов. М. :in Машиностроение, 1982. -52 с.

9. Бережной B.JI. Прессование с активным действием сил трения / B.JI. Бережной, В.Н. Щерба, А.И. Батурин. М. : Металлургия, 1988. - 296 с.

10. An improved metal extrusion process : pat. 435402 Great Britain ; patentee Edward Evans & Co. № 8469/34 ; decl. 17.03.34 ; publ. 17.09.1935. - 4 p.

11. Гильденгорн M.C. Прессование со сваркой полых изделий из алюминиевых сплавов / М.С. Гильденгорн, В.Г. Керров, Г.А. Кривонос Г.А. М. : Металлургия, 1775. - 240 с.

12. Грабарник JI.M. Прессование цветных металлов / JI.M. Грабарник, А.А. Нагайцев. М.: Металлургия, 1983. - 240 с.

13. Зиновьев А.В. Технология обработки давлением цветных металлов и сплавов / А.В. Зиновьев, А.И. Колпашников, П.И. Полухин, Ю.П. Глебов, Д.И. Пирязев, B.C. Горохов, A.M. Галкин // Учебник для вузов. -М. : Металлургия, 1992. 512 с.

14. Корнилов В.Н. Непрерывное прессование со сваркой алюминиевыхсплавов / В.Н. Корнилов. М.: Металлургия, 1993. - 216 с.

15. Северденко В.П. Обработка давлением гранул алюминиевых сплавов / В.П. Северденко, Н.В. Шепельский, В.З. Жилкин. М. : Металлургия, 1980.-216 с.