Разработка металлосберегающей технологии нагрева многогранных слитков в камерных печах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат наук Базайкина, Ольга Леонидовна

• Базайкина, Ольга Леонидовна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Базайкина, Ольга Леонидовна

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Теплотехнологии нагрева и аналитические методы расчетов теплового состояния многогранных кузнечных слитков и заготовок

1.2 Методы расчета термонапряженного состояния многогранных слитков

и заготовок при нагреве и горячей обработке давлением

1.3 Окисление и обезуглероживание молибден-, никель- и хром-содержащих легированных конструкционных и инструментальных сталей

при нагреве в камерных печах

Выводы и постановка задач исследования

2 РАЗРАБОТКА АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЁТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК

2.1 Применение метода разделения переменных к расчету нагрева и охлаждения бруса многогранного сечения

2.1.1 Постановка задачи охлаждения бруса

2.1.2 Общее решение задачи

2.1.3 Частный случай — брус квадратного сечения

2.2 Разработка методики расчета нагрева и охлаждения термически

тонких тел многогранной формы

2.3 Разработка методики расчета нагрева и охлаждения термически массивных тел шестигранной формы при граничных условиях III рода

2.4 Разработка методики расчета нагрева и охлаждения термически массивных тел восьмигранной формы при граничных условиях III рода

2.5 Разработка методики расчета нагрева и охлаждения термически массивных тел двенадцатигранной формы при граничных условиях III

рода

2.5.1 Разработка программы расчета в модулях пакета Maple компьютерной математики

2.5.2 Приложение к методике расчета нагрева и охлаждения термически тонких тел

2.6 Разработка методики расчета термонапряженного состояния тел многогранной формы

2.6.1 Постановка задачи для термических напряжений

2.6.2 Решение задачи для термических напряжений

2.6.3 Приложение методики расчета к условиям обработки кузнечных слитков в кузнечно-прессовом цехе предприятия Ремонтно-механический комплекс - филиала ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК»

2.7 Напряжения начального этапа горячей ковки кузнечного слитка

2.7.1 Расчет напряжений ковки методом линий скольжения

2.7.2 Пример расчета термоупругих напряжений при горячей протяжке заготовки восьмиугольного сечения

2.7.3 Термические напряжения при нагреве кузнечных слитков многогранного сечения

Выводы

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Выбор сталей и образцы, используемые для исследований

3.2 Опытные установки, оборудование, методика проведения

экспериментов

Выводы

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРЕВА ШЕСТИГРАННЫХ ЗАГОТОВОК И КИНЕТИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ И

ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ СТАЛЕЙ МАРОК 5ХНМ, 40ХН И 34ХН1М

4.1 Термометрирование шестигранных заготовок при нагреве в электрических печах сопротивления

4.2 Кинетика высокотемпературного окисления сталей марок 5ХНМ, 40ХНИ34ХН1М

4.3 Высокотемпературное обезуглероживание сталей марок 5ХНМ, 40ХНИ34ХН1М

4.4 Температуры плавления окалин сталей марок 5ХНМ, 40ХН и

34ХН1М

Выводы

5 РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛОСБЕРЕГАЮЩЕЙ, МАЛООКИСЛИТЕЛЬНОЙ

ТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА МНОГОГРАННЫХ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ

5.1 Разработка металлосберегающей технологии нагрева восьмигранных слитков в камерных печах с выкатным подом

5.2 Разработка рекомендаций по совершенствованию режима нагрева слитков в целях предотвращения их разрушения при ковке

5.2.1 Обоснование метода расчёта длительностей нагрева-охлаждения слитка

5.2.2 Пример расчёта нагрева-охлаждения слитка с холодного посада

5.2.3 Расчёт нагрева-охлаждения слитка с горячего посада

5.2.4 Рационализация длительностей нагрева-охлаждения слитков

5.2.5 Рекомендации к изменению технологических инструкций

Выводы

Основные выводы

Список использованных источников

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка металлосберегающей технологии нагрева многогранных слитков в камерных печах»

Введение

Актуальность работы.

По данным ассоциации World Steel в 2013 г. мировое производство стали превысило 1,6 млрд. т. При традиционном доминировании металлопроката в общих объемах производства стали весьма важную и востребованную группу металлоизделий составляют поковки, производимые из слитков. В современном кузнечно-прессовом производстве удельный вес поковок из слитков массой до Ют составляет более 50 %. Однако особую актуальность, а в некоторых случаях - и стратегическое значение имеет производство изделий и поковок массой свыше 50 т (крупногабаритных роторов паровых, газовых турбин или генераторов, а также валов для силовых агрегатов большой мощности), изготовляемых из слитков массой свыше 70 т.

Перед обработкой давлением слитки подвергают нагреву в камерных печах. От рациональности применяемой технологии нагрева металла в значительной степени зависят качество получаемых поковок и их себестоимость. Решающую роль при разработке и назначении температурных режимов нагрева и охлаждения играет определение теплового состояния слитка, учет неравномерности температур по его сечению и периметру. Для осуществления расчетов теплового состояния слитков требуются точные и адекватные методы и методики, позволяющие определять нестационарные температурные поля в шести-, восьми- и двенадцатигранных слитках.

Нагрев слитков в печах сопровождается безвозвратными потерями металла, связанными с угаром. Для камерных печей в зависимости от марки стали, температурного режима, размеров нагреваемых слитков и некоторых других факторов угар может достигать от 1 до 3 % от массы слитка. Немаловажным фактором является то, что в процессе ковки или прессования массивных поковок металл подвергают промежуточным подогревам, которые дополнительно увеличивают потери от угара. Поскольку поковки большой массы производят из дорогостоящих легированных сталей, практический

интерес представляет разработка металлосберегающих, малоокислительных технологий нагрева, обеспечивающих снижение потерь металла от угара. Для их реализации нужны данные о кинетике высокотемпературного окисления промышленных марок сталей, об особенностях влияния на кинетику содержания легирующих элементов и температурно-временного фактора.

В начале процесса охлаждения слитка с момента начала его кристаллизации в нём возникают значительные термические напряжения, обусловленные градиентом температурного поля. Термические напряжения могут быть причиной образования трещин. Оценки значений термонапряжений необходимы при разработке температурных режимов для определения длительностей и границ временных интервалов обработки давлением горячих слитков и заготовок.

В связи с этим разработка металлосберегающей технологии нагрева многогранных слитков в камерных печах актуальна и имеет большое отраслевое значение.

Работа выполнена по гранту Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых и в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель работы. Разработка и совершенствование металлосберегающих технологий нагрева многогранных стальных слитков в камерных печах.

Задачи исследования.

1. Разработать метод и методику аналитических и графоаналитических расчетов процессов нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных термически тонких и термически массивных слитков и заготовок при граничных условиях III рода.

2. Оценить значения термических напряжений и степень их опасности при назначении температурных режимов нагрева-охлаждения многогранных

слитков, предварительно решив связанную задачу термоупругости для многогранных слитков и заготовок.

3. Исследовать кинетику высокотемпературного окисления хром-, никель-и молибденсодержащих сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ. Получить количественные данные о температурах плавления окалин, влиянии температурно-временного фактора на угар и обезуглероживание исследуемых марок сталей.

4. На основании систематизации результатов, полученных в экспериментальных и теоретических исследованиях, разработать и внедрить металлосберегающую технологию нагрева многогранных кузнечных слитков для условий Ремонтно-механического комплекса - филиала ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».

5. Внедрить результаты исследований в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Металлургия».

Научная новизна.

1. С целью осуществления инженерных расчетов температур в теле многогранного слитка впервые разработаны метод и методика расчетов процессов нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок на основе полученного аналитического решения задачи для уравнения теплопроводности при граничных условиях III рода, построены соответствующие номограммы для центра, середины грани и ребра слитка.

2. Построены поля тензора термических напряжений в слитках, полученные как решения связанной задачи термоупругости, необходимые для определения границ интервалов температур охлаждения, нагрева и кузнечной обработки многогранных слитков.

3. В результате исследований кинетики высокотемпературного окисления получены новые количественные данные по влиянию температурно-временного фактора на угар сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ в атмосфере воздуха и кислорода.

4. Установлены температуры плавления окалины легированных сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ, определено и научно обосновано влияние на эти температуры легирующих элементов.

Практическая значимость.

1. Разработаны компьютерная программа вычисления относительных температур и графоаналитические методики расчёта температурных полей, реализованные в виде пакета номограмм, позволяющие рассчитать температуры в многогранных слитках и заготовках при разработке температурных режимов нагрева и охлаждения и соответствующих технологических инструкций.

2. Предложенные методы расчета термических напряжений позволяют определять безопасные с точки зрения трещинообразования интервалы температур и времени охлаждения-нагрева многогранных слитков и заготовок.

3. Получены зависимости угара от температурно-временного фактора для сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ, даны конкретные рекомендации по температурным интервалам выдержки и томления металла в печи для использования при разработке технологических инструкций по нагреву.

4. Разработаны температурные режимы нагрева слитков, обеспечивающие металлосбережение, снижение угара, многогранных слитков при нагреве в камерных печах.

Реализация результатов.

1. Разработанная металлосберегающая технология нагрева 15-тонных восьмигранных слитков принята к внедрению в Ремонтно-механическом комплексе - филиала ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат». При годовом производстве порядка 1400 т экономия металла составляет 17,3 - 19,7 т/год.

2. Разработанные аналитические и графоаналитические методы и методики расчета нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок при граничных условиях III рода внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный

университет» и используются при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Металлургия».

Методы исследований.

Кинетику окисления сталей исследовали с помощью гравиметрического (по потере массы) и дифференциально-термического (по увеличению массы) методов на дериватографе и термоанализаторе ЬАВБУБ. Тепловое состояние шестигранных заготовок определяли с помощью метода термометрирования. Глубину обезуглероженного слоя стали находили с помощью металлографического метода. Угар слитков при нагреве в камерных печах рассчитывался с помощью метода планиметрирования. Химический и фазовый состав окалины определяли с помощью рентгено фазового анализа и спектрометра АКТ 9800.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: адекватностью математического моделирования физическим условиям охлаждения и нагрева слитков; статистическими методами обработки экспериментальных данных; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с результатами промышленных испытаний.

Предмет защиты.

На защиту выносятся:

1. Методы и методики расчета температурных полей в слитках и заготовках, основанные на аналитических решениях задачи нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок при граничных условиях III рода.

2. Оценки значений компонент тензора термических напряжений как факторов разрушения слитков, основанные на аналитическом решении связанной задачи термоупругости для многогранных слитков и заготовок.

3. Результаты экспериментальных исследований кинетики высокотемпературного окисления и обезуглероживания легированных сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ и температуры плавления их окалин.

4. Металлосберегшощие температурные режимы нагрева многогранных слитков в камерных печах.

Автору принадлежит: получение аналитических и графоаналитических решений задачи нестационарной теплопроводности при нагреве и охлаждении шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок при граничных условиях III рода; проведение экспериментальных исследований кинетики высокотемпературного окисления, обезуглероживания легированных сталей марок 40ХН, 5ХНМ, 34ХН1М и определение температур плавления их окалин; проведение лабораторных экспериментов по термометрированию шестигранных заготовок; проведение промышленных экспериментов по исследованию угара восьмигранных слитков при нагреве в камерных печах; обработка полученных результатов, анализ, обобщение, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности ВАК 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов, п.З «Твердофазные процессы в металлургических системах», п.7. «Тепло- и массоперенос в низко- и высокотемпературных процессах», п.20. «Математическое моделирование процессов производства чёрных, цветных и редких металлов».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: I Всероссийской научно-практической конференции «Исследования молодых - регионам» (Томск, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Екатеринбург, 2012 г.); II Всероссийской

научно-практической конференции «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2013 г.); X Международной научно-практической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2013 г.); VIII Международном симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (Непряхино, 2013 г.); XVII Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, качество» (Новокузнецк, 2013 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций, 4 статьи в сборниках научных трудов, 8 работ в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 101 наименования.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Теплотехнологии нагрева и аналитические методы расчетов теплового состояния многогранных кузнечных слитков и заготовок

Стальные заготовки и слитки, имеющие в поперечном сечении форму правильного многоугольника или близкую к нему (со скругленными углами или вогнутыми гранями), получили широкое распространение. Шестигранные заготовки производят посредством прокатки по ГОСТ 2879-88, их используют для изготовления болтов, гаек, муфт и других металлоизделий. Основным размером шестигранной заготовки является диаметр вписанного круга (размер под ключ), который может изменяться в пределах от 8 до 100 мм.

Из шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков, разлитых в изложницы обычным методом и под вакуумом, производят широкий сортамент поковок и штамповок различной формы и назначения, в число которых входят валы, оси, валки прокатных станов, вал-шестерни, шестерни, пальцы, брусья, пластины (плиты), диски, кольца, матрицы и другие изделия [1].

Удельный вес поковок из слитков массой до 10 т в кузнечно-прессовом производстве составляет более 50 %. Все большее распространение для их получения находят технологии разливки шести- и восьмигранных кузнечных слитков на машинах полунепрерывного литья заготовок [2-5].

В настоящее время энергетическое и тяжелое машиностроение развивается в направлении увеличения единичной мощности энергетических установок. Это, в свою очередь, требует изготовления крупногабаритных роторов паровых, газовых турбин и генераторов, а также валов для силовых агрегатов большой мощности. В связи с этим в последнее время отмечается тенденция роста количества изделий и поковок массой до 50-300 т, изготовляемых из слитков массой 70 - 420 т и выше [6]. Слитки большой массы имеют, как правило, многоугольное (восьми-, двенадцати- и более -угольное) поперечное сечение. Поковки, получаемые из них, помимо большой массы характеризуются высоким

уровнем требований к качеству металла и его эксплуатационным свойствам. Для производства поковок подобного рода характерна малая серийность производства, практически максимальное использование мощностных и энергосиловых возможностей нагревательного и кузнечно-прессового оборудования [6].

Обработке давлением многогранных слитков и заготовок предшествует процесс нагрева, который чаще всего реализуют в камерных печах [7-9]. При этом важную роль в формировании качества поковок играет теплотехнология нагрева.

Выделение технологии нагрева стали в отдельное научное направление произошло в 50-60-е годы прошлого века в фундаментальных трудах НЛО. Тайца [9, 10]. Им были сформулированы основные составляющие технологии нагрева стали, которые включали свойства нагреваемой стали, форму слитков или заготовок, параметры режима нагрева и конструкцию печи.

Позднее Г.Г. Немзер в работах [11, 12] сформулировал основную задачу технологии нагрева слитков (заготовок) - обеспечение теплового состояния, соответствующего достижению сталью требуемых пластических свойств, без перегрева металла и нарушения его сплошности. При этом необходимо обеспечить минимальные эксплуатационные расходы, затраты топлива и потери стали от окисления.

В работах Г.Г. Немзера, Е.И. Казанцева, В.Г. Лисиенко, Ю.А. Самойловича, В.И. Тимошпольского [12 - 15] получает развитие идея комплексного рассмотрения тепловых процессов при производстве проката и поковок в системе разливка - охлаждение - нагрев - прокатка - охлаждение и вводится понятие теплотехнологии нагрева. Дальнейшее развитие это направление получает в работах М.В. Темлянцева [16 — 18]. Им вводится понятие процессо-структуро-свойствоориентированных (ПССО) технологий, которые основаны на максимальном учете особенностей протекания физических и физико-химических процессов в конкретной марке нагреваемой стали, специфики теплофизических и термомеханических свойств стали, изменения ее

структурного состояния. Это обеспечивает максимальные экономичность нагрева и металлосбережение при высоком качестве металлопродукции. ПССО-технологии опираются на комплекс знаний в области теории и практики печестроения, тепломассообмена, физической химии, металловедения и физики металлов, обработки металлов давлением [16 - 18]. М.В. Темлянцев рассматривает такие технологии, в основном, применительно к методическим печам прокатного производства, однако, вследствие их универсальности, они без каких-либо изменений могут быть использованы при нагреве многогранных слитков и заготовок в камерных печах.

Типовая теплотехнология нагрева и обработки давлением многогранных кузнечных слитков из сталей перлитного класса при производстве поковок типа вал схематично представлена на рисунке 1.1 [11, 12].

Начальный период

температуры: 1 - печи, 2 - ребра, 3 - середины грани, 4 - центра слитка, 6 -поверхности и 7 - центра поковки, 5 - перепад температур между максимально нагретой точкой поверхности и центром слитка или поковки

Рисунок 1.1— Тепловое состояние многогранных слитков и поковок

В данных условиях слитки являются, как правило, термически массивными телами, для которых числа Био (В1) превышают значение 0,25 и их нагрев с холодного посада реализуют по трехстадийному режиму [19 — 21]. Посад холодных слитков осуществляют в печь с температурой обычно не более 600 - 900 °С в зависимости от марки стали и размеров слитков. Первую (I) стадию проводят при относительно невысоких скоростях нагрева и плавном увеличении температуры печи. Эта стадия соответствует начальному периоду (Н.п.) нагрева, температура металла в котором находится примерно в интервале 0 — 730 °С. На второй (И) стадии проводят форсированный нагрев, обычно при постоянной температуре печи. Эта стадия охватывает промежуточный (П.п.) и конечный (К.п.) периоды нагрева, соответственно области температур металла 730 - 900 °С и от 900 до 1100 - 1300 °С [17, 18]. Третью (III) стадию (выдержку или томление) проводят при пониженной скорости нагрева. Она соответствует конечному периоду нагрева стали.

В процессе обработки давлением в условиях инверсии теплового потока происходит охлаждение поверхностных слоев металла, при этом центральные слои слитка имеют более высокую температуру, чем поверхностные. Если теплосодержания слитка недостаточно для проведения всех технологических операций ковки или прессования, то поковку подвергают промежуточному подогреву. Обработку давлением проводят в заданном для данной марки стали температурном интервале. Переохлаждение и перегрев металла приводят к снижению пластичности и увеличению сопротивления деформации [22, 23]. Это, в свою очередь, может стать причиной трещинообразования и чрезмерного увеличения энергозатрат на деформацию металла. После обработки давлением поковку охлаждают с регламентированной скоростью, с целью предотвращения трещинообразования [22, 23].

Анализ рассмотренной теплотехнологии в комплексе с процессо-структуро-свойствоориентированным подходом показывает, что решающую роль при формировании качества поковок и, фактически, назначении режимов тепловой обработки имеет определение или расчет теплового состояния слитков

или заготовок. В настоящее время при расчете процессов нагрева или охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков или заготовок используют либо математические модели, реализованные на ЭВМ с помощью численных методов [6, 24], либо, с рядом допущений, аналитические или графоаналитические решения для цилиндра [25], получившие распространение практически во всех основных справочных изданиях [26 - 30], посвященных нагреву металла.

В силу своей концепции теория теплопроводности является феноменологической, основным объектом теории является переменное поле температур. Полагая коэффициент теплопроводности материала тела постоянной величиной, теорию сводят к задачам для уравнения теплопроводности, в общем случае - в теле с трехмерным температурным полем. Ряд постановок и решений таких задач хорошо известны как задачи для параболических уравнений с частными производными [31]. В частности, в [31] представлены решения задач для распространения тепла в цилиндре бесконечных и конечных размеров, в шаре и в пластине без источников. Симметрия этих тел позволяет применять три основных метода решения задач: метод разделения переменных (по-другому -метод Фурье), близкий к нему метод разложения решения по собственным функциям задачи и метод интегральных преобразований. Простейшие реализации второго и третьего методов описаны в [32]. Здесь же представлено разделение типов граничных условий на условия I, II и III родов. Процедура разделения переменных в первом и втором методах приводит к разделению уравнения теплопроводности на 2 обыкновенных дифференциальных уравнения. В простейшем случае осевой симметрии (для цилиндра) уравнение для функции пространственных переменных является уравнением Бесселя и решается в полярных координатах. Для бруса квадратного сечения задача с граничными условиями третьего рода позволяет получить решение уравнения для функции-множителя пространственных переменных в декартовых координатах.

Наиболее полно теория теплопроводности в приложении к процессам нагрева и охлаждения металла изложена в работе A.B. Лыкова [33]. В ней

приведены постановки и аналитические решения задач для стержня, цилиндра, квадратного бруса, пластины в безразмерных переменных (числах подобия); номограммы безразмерных температур для различных значений чисел Био и Фурье. При решении задач применены методы разделения переменных и интегральных преобразований.

В более поздней работе [34] сформулированы основы металлургической теплофизики как самостоятельной инженерной науки. Разработаны и изложены приближенные методы решения краевых задач линейной и нелинейной теплопроводности. Разработаны методики расчета полей температур в телах простой формы. Путем сравнения с точными и численными методами показана точность предложенных расчетных методик и формул. Приведены методы решения нелинейных задач теплопроводности, решения прикладных нелинейных задач стационарной теплопроводности. Рассмотрены задачи нестационарной теплопроводности с нелинейностями I, II, III рода.

Постановкам и решениям задач теплотехники с переменными граничными условиями посвящены работы [35 - 38]. В ряде публикаций показаны решения задач с переменными теплофизическими характеристиками. Как правило, решения являются громоздкими, представляются рядами или интегральными преобразованиями [39 - 42].

При расчете полей температуры и термоупругих напряжений многие авторы активно применяют пакеты компьютерного моделирования «Deform3D», «QForm3D», в которых использовано приближение метода конечных элементов. В качестве примера можно привести работу [43]. Однако, в силу определенных допущений метода конечных элементов, ограниченности типов рассматриваемых задач в этих пакетах программ погрешность расчетов может быть достаточно велика.

Получившие наибольшее распространение при расчете нагрева многогранных слитков в камерных печах расчетные методики для цилиндра позволяют определить только температуру центра и поверхности слитка. Однако при тепловой обработке многогранного слитка практическое значение имеет

нахождение температуры его центра, середины грани и ребра. Соответственно расчетные методики для цилиндра не учитывают таких важных явлений как перегрев и переохлаждение ребер многогранных слитков или заготовок.

Анализ специальной технической литературы показывает, что для расчета двумерных температурных полей в телах типа бесконечно длинная квадратная или прямоугольная призма часто используют метод перемножения температурных критериев [25, 28]. Он позволяет рассчитывать температуру середины грани и ребра, но только четырехгранных слитков или заготовок. Использование такой методики для шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков приведет к снижению точности расчетов, которая очевидно будет зависеть от количества граней слитка.

Отсутствие точных аналитических решений для нахождения температурных полей в термически массивных шести-, восьми- и двенадцатигранных слитках (брусах бесконечной длины), приводит к значительным погрешностям расчетов их теплового состояния в процессах нагрева и охлаждения, является ощутимым препятствием на пути вскрытия резервов по интенсификации и рационализации теплотехнологий. Погрешность определения теплового состояния слитка влияет на точность расчета:

- термонапряженного состояния, и, следовательно, на допустимые скорости нагрева в первом периоде, температуру печи при холодном посаде слитков, продолжительность нагрева и производительность печи;

- угара и обезуглероживания стали, величины которых по поверхности многогранных слитков будут неравномерны;

- продолжительности II и П1 стадий нагрева и охлаждения; как следствие, возникает вероятность перегрева или переохлаждения ребер, при ковке — снижения пластичности металла, образования трещин на ребрах слитков.

Промышленным исследованиям теплового состояния многогранных кузнечных слитков с помощью метода термометрирования посвящены работы В.Н. Соколова, В.А. Куроедова, Г.Г. Немзера, А.Б. Рязанцева, Н.М. Золотухина, З.Н. Головиной и др. [13, 44]. В них подтверждено наличие эффекта перегрева

при нагреве и переохлаждения при охлаждении ребер многогранных слитков по сравнению с серединой их грани.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Базайкина, Ольга Леонидовна, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Семенов Е.И. Ковка и штамповка. Справочник в 4-х томах. Т.1 Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка. : монография / Е.И. Семёнов, А.И. Карманов [и др.] // М.: Машиностроение, 1985. - 568 с.

2. Аникеев, В.В. Перспективы процесса полунепрерывного литья слитков: текст / В.В. Аникеев, И.К. Марченко [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. - 1991, № 4. С. 11-15.

3. Аникеев, В.В. Особенности литья кузнечных слитков на МПНЛЗ: текст // В.В. Аникеев, И.К. Марченко, М.Я. Бровман, С.Д. Миклухин // Тяжелое машиностроение. - 1992, № 1. С. 29, 30.

4. Аникеев В.В. Особенности литья стальных слитков на наклонной МПНЛЗ: текст / A.B. Аникеев // Сталь. - 2013, № 6. С. 18 - 23.

5. Аникеев В.В. Полунепрерывная отливка сплошных и полых стальных слитков для машиностроения: текст / A.B. Аникеев // Электрометаллургия. - 2013, № 8. С. 9 - 17.

6. Кобелев O.A. Ковка широких плит.: монография / O.A. Кобелев, М. А. Цепин [и др.] // М.: Теплотехник, 2009. - 192 с.

7. Гусовский В.Л. Современные нагревательные и термические печи (конструкции и технические характеристики): монография / В.Л. Гусовский, М.Г. Ладыгичев [и др.] // - М.: Теплотехник, 2007. - 656 с.

8. Кривандин В.А. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии: монография / В.А. Кривандин, A.B. Егоров // - М.: Металлургия, 1989. - 462 с.

9. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали: монография / Н.Ю. Тайц // М. : Металлургиздат, 1950.-450 с.

10. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали: учебное пособие / Н.Ю. Тайц // М.: Металлургиздат, 1962. - 567 с.

11. Немзер Г.Г. Тепловые процессы производства крупных поковок: монография / Г.Г. Немзер // JL: Машиностроение, 1979. - 270 с.

12. Немзер Г.Г. Теплотехнология кузнечно-прессового производства: монография / Г.Г. Немзер // JL : Машиностроение, 1988. - 320 с.

13. Тимошпольский В.И. Стальной слиток. Т. 3. Нагрев: монография / В.И. Тимошпольский, Ю.А. Самойлович [и др.] // Минск: Беларуска навука, 2001.-879 с.

14. Тимошпольский В.И. Теоретические основы тепловой обработки стали в трубопрокатном производстве: монография / В.И. Тимошпольский, Ю.А. Самойлович // Минск : Беларуска навука, 2005.-303 с.

15. Энергосберегающая технология нагрева слитков: монография / под ред. Е.И. Казанцева// М. : Металлургия, 1992. - 176 с.

16. Темлянцев М.В. Рациональные тепловые и температурные режимы нагрева стали в методических печах: текст / М.В. Темлянцев // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. Сб. научных трудов. - Москва - Новокузнецк, 2006, вып. 24.- С. 31 -33.

17. Павлов В.В. Перспективные технологии тепловой и термической обработки в производстве рельсов: монография /В.В. Павлов, М.В. Темлянцев [и др.] // М.: Теплотехник, 2007. - 280 с.

18. Перетятько В.Н. Нагрев стальных слябов: учебное пособие / В.Н. Перетятько, М.В. Темлянцев [и др.] // М.: Теплотехник, 2008. -192 с.

19. Глинков М.А. Основы общей теории печей: учебное пособие / М.А. Глинков // М. : Металлургиздат, 1962. - 575 с.

20. Выбор режимов нагрева металла: монография / под ред. В.В. Быкова// М.: Металлургия, 1980. - 198 с.

21. Теплотехника металлургического производства. Т.1. Теоретические основы: учебное пособие / под ред. В.А. Кривандина // М.: МИСИС, 2002.-608 с.

22. Дзугутов М.Я. Напряжения и разрывы при обработке металлов давлением: монография //М.Я. Дзугутов// М. : Металлургия, 1994. — 288 с.

23.Перетятько В.Н. Развитие теории и практики металлургических технологий. Т. 2. Пластичность и разрушение стали в процессах нагрева и обработки давлением: монография / В.Н. Перетятько, М.В. Темлянцев // М.: Изд-во Теплотехник, 2010.-352 с.

24. Швыдкий B.C. Элементы теории систем и численные методы моделирования процессов тепломассопереноса: учебное пособие /

B.C. Швыдкий [и др.] // М.: Интермет Инжиниринг, 1999. - 520 с.

25.Лыков A.B. Теория теплопроводности: учебное пособие / A.B. Лыков // М.: ГИТТЛ. - 1952. - 392 с.

26. Справочник конструктора печей прокатного производства. Т. I. : монография / под ред. А.Л. Бергауза // М. : Металлургия, 1970. - 425 с.

27. Справочник конструктора печей прокатного производства. T.II. М. монография / под ред. А.Л. Бергауза // М. : Металлургия, 1970. - 992 с.

28. Расчет нагревательных и термических печей: монография / под ред.

C.Б. Василькова // М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

29. Казанцев Е.И. Промышленные печи: учебное пособие / Е.И. Казанцев // М.: Металлургия, 1975. - 368 с.

30. Теплотехнические расчеты металлургических печей: монография / под ред. Б.И. Китаева // М.: Металлургия, 1970. - 528 с.

31.Котляков Н.С. Уравнения в частных производных математической физики: учебное пособие / Н.С. Котляков, Э.Б. Глинер [и др.] // М.: Высшая школа. - 1970. - 707 с.

32.Фарлоу С. Уравнения с частными производными для научных работников и инженеров: монография / С.Дж. Фарлоу // М.: Мир. -1985.-383 с.

33.Лыков A.B. Теория теплопроводности: учебное пособие / A.B. Лыков // М.: Высшая школа. - 1967. - 993 с.

34.Тимошпольский В.И. Теоретические основы теплофизики и термомеханики в металлургии: монография / В.И. Тимошпольский, Ю.С. Постольник и [др.] // Минск: Бел. навука. - 2005. - 560 с.

35.Тайц Н.Ю. Нагрев тела различной формы при изменяющихся граничных условиях: текст / Н.Ю. Тайц // Известия вузов. Черная металлургия. - 1970, № 10. - С.121 - 125.

36.Тайц Н.Ю. Определение температурного поля и температурных напряжений в цилиндре бесконечной длины при нагреве в среде с линейно изменяющимся во времени потоком: текст / Н.Ю. Тайц, А.Г. Сабельников [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. - 1971, №4.- С. 136-140.

37.Телегин A.C. Нагрев пластины, цилиндра и шара при линейном изменении граничных условий: текст / A.C. Телегин, B.C. Швыдкий // Известия вузов. Черная металлургия. - 1971, № 10. - С. 145 - 149.

38.Ильченко О.Т. Нестационарное температурное поле твердого тела при несимметричных и переменных во времени условиях теплообмена: текст / О.Т. Ильченко // ИФЖ. - 1969, т. XVII, № 1. -С. 118-123.

39.Варшавский Г.В. Исследование некоторых задач теплопроводности при коэффициенте теплопроводности, зависящим от температуры:

текст / Г.В. Варшавский // Журнал прикладной механики и технической физики. - 1961, № 3. — С. 3 — 5.

40.Волков В.Н. Уточнение интегрального метода решения уравнения теплопроводности: текст / В.Н. Волков, Ли [и др.] // Известия вузов. Энергетика. - 1969, № 9. - С. 73 - 78.

41.Бровкин Л. А. Температурное поле шара с переменными физическими свойствами при граничных условиях третьего рода: текст / Л.А. Бровкин, С.И. Девочкина // Известия вузов. Энергетика.

- 1971, № 11.-С. 122-127.

42. Бровкин Л.А. К расчету нагрева тел с переменными коэффициентами: текст / Л.А. Бровкин // Известия вузов. Черная металлургия. - 1973, № 3. - С. 152 - 154.

43. Мордвинцев П.С. Моделирование технологических процессов свободной ковки: электронное научно-техническое издание / П.С. Мордвинцев // Наука и образование, 6 июня 2008 г. - http:// techno-new.developer.stack.net/doc /99656.html. - 23.03.2013.

44. Головина З.Н. Исследование процессов нагрева и охлаждения стальных массивных слитков: текст / З.Н. Головина, О.С. Ересковский и [др.] // Кузнечно-штамповочное производство. - 1968, № 1.-С. 35-40.

45. Стариков B.C. Симметричный скоростной нагрев стальных квадратных заготовок с закругленными ребрами: текст / B.C. Стариков // Кузнечно-штамповочное производство. - 1969, № 8. С. 36-38.

46.Горбунов А.Д. Расчет процессов теплопроводности в телах сложной формы: текст / А.Д. Горбунов // Известия вузов. Черная металлургия.

- 1985, № 10. С. 114-119.

47.Телегин A.C. Тепло-массоперенос: монография / A.C. Телегин, B.C. Швыдкий [и др.] // М.: Металлургия, 1995. - 400 с.

48.Металлургические печи: монография / под ред. В.А. Баума // М.: Металлургиздат, 1951. — 975 с.

49.Кривандин В.А. Энергосбережение как результат непрерывного совершенствования тепловой работы и конструкции нагревательных устройств / В.А. Кривандин // Материалы международной научно-практической конференции «Автоматизированный печной агрегат -основа энергосберегающих технологий XXI века». - М.: МИСиС, 2000.-С. 11-13.

50.Мелан Э. Термоупругие напряжения, вызываемые стационарными температурными полями: монография / Э. Мелан и Г. Паркус // М.: ГИФМЛ.- 1958.- 165 с.

51.Купрадзе В.Д. Трёхмерные задачи математической теории упругости и термоупругости: монография / В.Д. Купрадзе, Т.Г. Гегелиа [и др.] // М.: Наука.- 1976.-663 с.

52.Папкович П.Ф. Выражение общего интеграла основных уравнений теории упругости через гармонические функции: текст / П.Ф. Папкович // Изв. АН СССР. Отделение математических и естественных наук. - 1937. - Т.1, № 2. - С. 245 - 246.

53. Папкович П.Ф. Общий интеграл тепловых напряжений: текст / П.Ф. Папкович // Прикладная математика и механика. - 1937. - Т.1, № 2. -С. 245-246.

54. Лебедев H.H. Температурные напряжения в теории упругости: монография / H.H. Лебедев // М. - Л.: Гостехтеоретиздат. - 1937. — 110 с.

55. Прусов И.А. Некоторые задачи термоупругости: монография / И.А. Прусов // Минск: Изд-во Белорус, ун-та. - 1972. - 200 с.

56. Узделов А.И. Некоторые задачи термоупругости анизотропного тела: монография / А.И. Узделов // Саратов: Изд-во СГУ. - 1967. -167 с.

57. Лехницкий С.Д. Теория упругости анизотропного тела: учебное пособие / С.Д. Лехницкий // М.: Наука. - 1977. - 416 с.

58.Рябков В.М. Исследование напряжений при осесимметричном нагреве сплошного цилиндра: текст / В.М. Рябков, A.M. Цун [и др.] // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1975, № 12. - С. 16 - 19.

59. Сабельников А.Г. Определение критического термонапряжённого состояния материала при скоростном нагреве: текст / А.Г. Сабельников, В.А. Петренко [и др.] // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1977, № 11. С. 23 - 27.

60. Тимошпольский В.И. Расчёт температурных напряжений массивного цилиндра в схеме термического слоя: текст / В.И. Тимошпольский // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1982, № 6. С. 17-22.

61. Янковский М.И. Температурные напряжения при неравномерном нагреве слитка с учётом пластических деформаций: Текст / М.И. Янковский, И.Ф. Иванченко, Г.С. Кондратьева // Прикладная механика. - 1967, Т. 2, вып. 4. - С. 36 - 41.

62.Жуков П.В. Расчёт температурных полей и термических напряжений в толстостенном цилиндре при импульсном подводе тепла: текст / П.В. Жуков // Иваново: Вестник ИГЭУ. - 2013, вып.З. С. 1 - 4.

63.Виноградов В.М. Остаточные напряжения в деталях из пластических масс: текст / В.М. Виноградов // Пластические массы. — 1975, № 4. С. 20-31.

64.Biba N. The Development of Net Shape Forging Technology through Numerical Simulation: text / N. Biba, A. Lishny [& oth.] // Proceedings of BAMFAC. - Warsaw: Warsaw University of Technology/. - 1998. - pp. 84-88.

65. Biba N. Cost Effective Implementation of Forging Simulation: text / N. Biba, A. Lishny [& oth.] // Journal of Material Processing Technology. -2001, v. 113.-pp. 34-39.

66. Биба H.B. Разработка и совершенствование технологии ковки и штамповки с помощью QForm3D / H.B. Биба, С.А. Стебунов // Кузнечно-штамповочное производство: перспективы и развитие (сб. научных трудов). - Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2005. - 884 с.

67.Стариков B.C. К вопросу разрушения стальных заготовок от температурных напряжений: текст / B.C. Стариков // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1966, № 11. С. 158-163.

68. Стариков B.C. Скоростной нагрев заготовок из углеродистой и легированной стали в камерной печи цилиндрического типа: текст /

B.C. Стариков // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1965, № 2. —

C. 161-167.

69. Назаров И.С. Скоростной нагрев стали в секционной печи: текст / И.С. Назаров, Е.И. Корочкин [и др.] // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1962, № 6. - С. 155 - 166.

70. Стариков B.C. Об оптимально форсированной тепловой обработке заготовок из конструкционных углеродистых сталей: текст / B.C. Стариков, А.К. Соловьёв [и др.] // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1994, № 4. - С. 29 - 32.

71.Темлянцев М.В. Разрушение заготовок из конструкционных хромистых сталей при интенсивных тепловых воздействиях: текст / М.В. Темлянцев, B.C. Стариков [и др.] // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 2003, № 2. - С. 44 - 46.

72. Темлянцев М.В. Окисление и обезуглероживание стали в процессах нагрева под обработку: монография / М.В. Темлянцев, Ю.Е. Михайленко // М.: Теплотехник. - 2006. - 200 с.

73. Скворцов A.A. Безокислительный и малоокислительный нагрев стали под обработку давлением: монография / A.A. Скворцов, А.Д. Акименко [и др.] // М.: Машиностроение. - 1968. - 270 с.

74. Ващенко А.И. Окисление и обезуглероживание стали: монография / А.И. Ващенко, А.Г. Зеньковский [и др.] // М.: Металлургия. - 1972. — 208 с.

75.Северденко В.П. Окалина при горячей обработке металлов давлением: монография // В.П. Северденко, Е.М. Макушок [и др.] // М.: Металлургия. - 1977. - 209 с.

76. Архаров В.И. Окисление металлов: монография / В.И. Архаров // М.: Металлургиздат, 1945. — 171 с.

77. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов: монография / Ю.Р. Эванс // М.: Машиностроение, 1962. - 856 с.

78. Кубашевский О. Окисление металлов и сплавов : монография / О. Кубашевский, Б. Гопкинс // М.: Металлургия, 1965. - 428 с.

79. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов: монография /П. Кофстад // М.: Мир, 1969. -392 с.

80. Окисление металлов. Т.1. Теоретические основы: монография / под ред. Ж. Бенара // М.: Металлургия, 1967. - 499 с.

81. Окисление металлов. Т.2 / под ред. Ж. Бенара // М.: Металлургия, 1969.-444 с.

82. Францевич И.Н. Высокотемпературное окисление металлов и сплавов: монография / И.Н. Францевич, Р.Ф. Войтович [и др.] // Киев.: Государственное издательство технической литературы УССР, 1963.-323 с.

83. Леонидова М.Н. Физико-химические основы взаимодействия металлов с контролируемыми атмосферами: монография / М.Н. Леонидова, Л.А. Шварцман [и др.] // М. : Металлургия, 1980. - 263 с.

84. Губинский В.И. Уменьшение окалинообразования при производстве проката: монография / В.И. Губинский, А.Н. Минаев [и др.] // Киев : Технжа, 1981.- 135 с.

85. Марочник сталей и сплавов: монография / под ред. A.C. Зубченко // М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

86. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали: монография / Ф.Ф. Химушин // М.: Металлургия, 1967. - 798 с.

87. Смоляков В.Ф. Исследование обезуглероживания и окалинообразования сталей Р6М5 и PI8 : текст / В.Ф. Смоляков, Р.Д. Мининзон // Сталь. 1973, № 8. - С. 744 - 746.

88. Темлянцев М.В. Исследование температур оплавления образующейся при нагреве стали печной окалины / М.В. Темлянцев, Н.В. Темлянцев // Известия вузов. Черная металлургия. - 2005. -№9.-С. 51-53.

89. Теплофизические и механические свойства сталей: электронный ресурс / http://sak.ru>reference/material/steel/steel l-2.html - 08.02.2013/

90.Полянин А.Д. Справочник по нелинейным уравнениям математической физики: монография / А.Д.Полянин, В.Ф. Зайцев // М. : ФМЛ. - 2002. - 431 с.

91. Ланкастер П. Теория матриц: монография / П. Ланкастер // М.: Наука. -1978.-280 с.

92.Дьяконов В.П. Maple 10/11/12/13/14 в математических расчётах: руководство пользователя / В.П. Дьяконов // М.: ДМК издательство. -2011.-799 с.

93. Базайкина О.Л. Расчёт нагрева и охлаждения восьмигранных кузнечных слитков при граничных условиях III рода: текст / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев // Известия вузов. 4M. - 2011, № 12. С. 29-33.

94. Зависимость модуля упругости твёрдого тела от температуры: электронный ресурс / http://www.effects.ru/science/78/index.htm -17.04.2013.

95. Основные дефекты крупных стальных слитков: электронный ресурс // Украинская ассоциация сталеплавильщиков. Раздел 6.1 - / http://uas.su/books/2011 /kslitok/б 1 /razde!61 .php. - 15.03.2013.

96. Дзугутов М.Я. Особенности горячей обработки труднодеформируемых сплавов: электронный ресурс / М.Я. Дзугутов // Металлургия: образование, работа, бизнес. - http://MarkMet.ru . -17.03.2013/

97. Соколовский В.В. Теория пластичности: монография / В.В. Соколовский // М.: Высшая школа. - 1969. - 608 с.

98.Антощенков Ю.М. Расчёт процессов ковки: монография / Ю.М. Антощенков // М.: Машиностроение. - 2001. - 240 с.

99. Антощенков Ю.М. Связь напряжений с тепловым состоянием металла при ковке: текст / Ю.М. Антощенков // Кузнечно-штамповочное производство. - 2002, № 5. С. 12-17.

100. Гольдфарб Э.М. Теплотехника металлургических процессов / Э.М. Гольдфарб // М.: Металлургия. - 1967. - 439 с.

101. Петров B.C. Производство валков холодной прокатки: монография / B.C. Петров, А.И. Карманов // М.: Машиностроение. -1978.-205 с.