Металлургия относится к базовым отраслям Российской промышленности. Она обеспечивает потребности народного хозяйства в металлопродукции широкого назначения, а также поступления валютных средств за счет экспорта. Одной из основных проблем Российской черной металлургии является повышение конкурентоспособности заготовок, полученных на машинах непрерывного литья заготовок (MHJI3).
Эффективность процесса непрерывного литья заготовок является критерием оценки технического уровня черной металлургии. Объем стали непрерывной разливки в Российской Федерации в 1,3. 1,5 раза меньше, чем в промышленно развитых странах [1, 2]. Процесс изготовления отечественных кристаллизаторов характеризуется низким технологическим уровнем производства, значительным износом оборудования, большой трудоемкостью процесса, нерентабельностью, низким уровнем качества продукции и, как следствие, не конкурентоспособностью на мировом рынке. Применяемые технологии изготовления кристаллизаторов недостаточно изучены и нуждаются в совершенствовании.
Причинами такой ситуации являются: износ промышленного оборудования, затянувшаяся структурная перестройка, отсутствие государственной стратегии развития черной металлургии, хроническое и все более нарастающее отставание российской металлургии в области применения современных технологий, отсутствие системы отраслевых институтов и структур, способных на прочной научной основе разрабатывать и внедрять собственные отечественные «высокие технологии» будущего.
По многим показателям, связанным с эксплуатацией и изготовлением машин непрерывного литья заготовок, разрыв между Российской Федерацией и промышленно развитыми странами становится практически несопоставимым.
Для возрождения в Российской Федерации конкурентоспособной черной металлургии, необходимо создание конкурентоспособной технологии и машин непрерывного литья заготовок. Большой резерв в решении данной задачи обеспечивает совершенствование конструкции и технологии изготовления самого ответственного узла в MHJI3 — кристаллизатора.
Кристаллизатор является основным технологическим узлом MHJI3 и предназначен для получения наружной поверхности отливки. Служит теплообменным аппаратом, для отвода теплоты кристаллизации затвердевающего металла.
От качества кристаллизатора зависит качество продукции и производительность машин непрерывного литья заготовок. Срок службы кристаллизаторов значительно меньше срока службы других сменных деталей. Отказы приводят к простоям, авариям на производстве, влияют на экологическую безопасность и безопасность труда.
Рабочие стенки сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок работают в условиях циклических интенсивных тепловых.
•у потоков (плотность тепловых потоков достигает.
20 МВт/м) в диапазоне температур 290.870 К, интенсивного износа, циклических термодинамических напряжений и коррозии разных типов.
Кристаллизатор должен удовлетворять следующим требованиям:
• обеспечить интенсивный отвод тепла с поверхности отливки, чтобы на выходе из кристаллизатора толщина и точность затвердевшей корочки были достаточны для удержания еще не затвердевшего металла сердцевины;
• обеспечить постоянство размеров и формы рабочей полости кристаллизатора, чтобы отливка удовлетворяла предъявленным к ней требованиям;
• отсутствие неровностей на рабочей поверхности кристаллизатора и зазора в соединениях;
• минимальное трение при скольжении формирующейся корки по стенке кристаллизатора, так как прочность металла вблизи температур кристаллизации невелика и имеется опасность разрушения заготовки в процессе удаления из кристаллизатора.
Основными параметрами, определяющими состояние кристаллизатора, как системы являются:
• геометрические параметры поверхностей рабочего слоя стенок;
• физико-механические свойства и химический состав стенок;
• физико-механические свойства и химический состав корочки слитка- 7.
• условия, определяющие состояние корочки слитка (скорость разливки, температура жидкого металла и др.);
• условия, определяющие состояние рабочих стенок (параметры процесса охлаждения, конструкция кристаллизатора и др.):
• условия на границе контакта рабочая стенка-слиток (тип смазки, амплитуда и частота колебаний кристаллизатора и др.).
Основными производителями стенок разборных кристаллизаторов являются фирмы «КМ — kabelmetal» (Германия), «EUROPA METALLI» (Германия), «Recopy» (США), «Vacuumed» (Канада), «Danieli» (Италия), «Fest-Alpine» (Австрия), и «Чуецу» (Япония) и др. Каждая фирма является монополистом в производстве кристаллизаторов, начиная от конструирования до технологии изготовления. Фирмы заинтересованы в сбыте готовой продукции и не раскрывают тонкостей своих технологий. Поэтому требуется создание в Российской Федерации аналогичных производств, обеспечивающих выпуск конкурентоспособной продукции.
Зарубежные и отечественные фирмы используют для стенок кристаллизаторов главным образом серебросодержащую медь, которая является дорогим материалом.
Производство значительно более дешевой бескислородной меди — сложный и недостаточно изученный процесс. В литом состоянии бескислородная медь имеет крупнозернистую структуру. Под воздействием термических напряжений при условии слабой связи между зернами по границам последних возможно образование трещин.
Следует отметить что, удельный вес бескислородной меди в производстве цветных металлов постоянно растет. Кроме того, применение литого слитка в качестве исходной заготовки, в отличие от технологии, основанной использовании проката, позволяет расширить номенклатуру стенок сборных кристаллизаторов.
Одним из перспективных направлений1 развития технологии изготовления стенок сборных кристаллизаторов, является создание структурного состояния1, отливок из бескислородной медикоторое обеспечило бы физико-механические свойства заготовок стенок кристаллизаторов сопоставимые с заготовками из серебросодержащей меди.
При формообразовании заготовок стенок сборных кристаллизаторов из бескислородной меди методами холодной кузнечной протяжки возникают дополнительные трудности из—за недостаточной изученности процесса.
Актуальность работы. Анализ альтернативных технологий изготовления рабочих стенок сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок показывает, что наиболее перспективными являются технологии, основанные на объемном формообразовании и использующие бескислородную медь в качестве заготовок стенок кристаллизаторов. Однако теоретических и систематических экспериментальных исследований данных технологий не проведено. На пути их практического освоения сделаны лишь первые шаги. Имеющиеся рекомендации не являются достаточными для разработки расчетных моделей процессов и проектирования промышленных технологий.
Этим обусловлена актуальность работы, посвященной разработке на основе холодной кузнечной протяжки технологии изготовления из бескислородной меди рабочих стенок сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок.
Цель работы — разработка научно обоснованных методик расчета параметров и основ проектирования технологических процессов холодной кузнечной протяжки заготовок медных стенок сборных кристаллизаторов, разработка и внедрение на этой основе технологий получения стенок сборных кристаллизаторов, обеспечивающих уменьшение материалоемкости и улучшение качества изделий металлургического машиностроения'.
Поиск новых технических решений по совершенствованию технологии изготовления стенок сборных кристаллизаторов и расширению номенклатуры используемых медных материалов затруднен из-за отсутствия классификаций, объединяющих основную' группу процессов формообразования медных стенок сборных кристаллизаторов и бойков для кузнечной протяжки.
Большое значение, для решения задач, связанных с разработкой технологий изготовления и конструкций кристаллизаторов MHJI3, имеют результаты проведенных исследований, выполненные отечественными и зарубежными учеными: Сиваком В. Б., Целиковым А. А., Шифриным И. Н., Wimmer F, Thone Н, Pavliceiers М., Gensini G., Berriman R. и др.
Подход к процессам получения методами объемной штамповки заготовок стенок сборных кристаллизаторов как к технологической системе, совершенствование которой происходит во взаимосвязи с основными направлениями работ по экономии ресурсов в машиностроении, показывает необходимость решения задачи на основе достижений и дальнейшего развития теории и технологии малоотходных процессов объемной штамповки деталей и точных заготовок.
Значительный вклад в создание научных и практических основ объемной штамповки внесли работы Аксенова Л. Б., Артеса А. Э., Береснева Б. И., Богоявленского К. Н., Вострова В. Н., Головина В. А., Дмитриева A.M., Дорофеева Ю. Г., Дорошкевича Е. А., Золотова A.M., Евстратова В. А.,.
ЕвстифееваВ.В., Иванова К. М., Лясникова А. В., Мертенса К. К., Мишунина В. А., Навроцкого Г. А., Овчинникова А. Г., Оленина Д. Д., РеннеИ.П., РисаВ.В., Рудского А. И., Рыбина Ю. И., Степанского Л. Г., Фаворского В. Е., Филимонова Ю. Ф., Lange К., Veldman G., Volkner W., Pasek V., Schmit R. и многих других отечественных и зарубежных ученых.
Большое значение, для решения задач, связанных с механической активацией диффузионных процессов и формированием дефектной структуры, устойчивой к процессам микроскопической деформации, имеют работы Атрошенко С. А., Гарбера Р. И., Гиндина И. А., Дурнева В. Д., Кривоглаза. М.А., Колбасникова Н. Г., Неклюдова И. М., Радкевича М. М., Струнина Б. Н., Якутовича М. В., Listhuler F., Jacul В., Bailley J., Те gar t W. и других ученых.
Благодаря их работам, выявлены основные условия^ формообразования заготовок стенок кристаллизаторов^ в зависимости от характера напряженного и деформированного состояний, структуры и свойств кристаллических тел материала, состояния поверхности и других факторов.
Предложено несколько гипотез, объясняющих механизм^ течения металла. На основе феноменологического подхода теории пластических деформаций металлов и экспериментальных исследований для ряда способов холодной кузнечной протяжки получены зависимости, которые позволяют определить силовые параметры процессов и прочностные характеристик изготавливаемых деталей. Однако результаты проведенных исследований не могут быть использованы при проектировании технологий изготовления и прогнозировании качества стенок кристаллизаторов из бескислородной меди.
В диссертации, на основании выполненных автором исследований и разработок содержатся технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики, заключающиеся в разработке технологий изготовления из бескислородной меди стенок сборных кристаллизаторов MHJ13, обладающих физико-механическими свойствами, сопоставимыми со стенками из серебросодержащей меди, благодаря чему обеспечивается экономия’ресурсов за счет улучшения эксплуатационных характеристик и снижения себестоимости изделий.
Методы исследования. Теоретический анализ процессов выполнен методами теории упругости, пластичности, феноменологической теории разрушения и теории надежности. Статистические модели получены методами планирования эксперимента и регрессионного анализа. При реализации экспериментов использованы методы тензометрии и микроанализа.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением математической статистики при обработке экспериментальных данных, оценкой адекватности разработанных теоретических моделей и промышленными испытаниями.
Научная, новизна работы заключается в разработке новых способа, инструмента и научно обоснованных методик проектирования^ заготовок стенок сборных кристаллизаторов из бескислородной меди и технологических режимов холодной кузнечной протяжки, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований, включающих:
• анализ технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов и классификацию бойков для кузнечной протяжки заготовок медных стенок сборных кристаллизаторов, на основе которых предложены новые перспективные технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности производства стенок сборных кристаллизаторов и улучшение их качества;
• научно обоснованную методику проектирования технологий холодной кузнечной протяжки медных заготовок для стенок сборных кристаллизаторов, позволяющих на основе математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов, оборудования и инструмента, определить возможность изготовления и прогнозирование эксплуатационных характеристик формообразованных деталей;
• разработанные методики проектирования физико-механических свойств стенок кристаллизаторов, основанные на теоретическом анализе процесса, феноменологической теории разрушения и теории надежности;
• методики и стенды для экспериментального исследования технологических параметров, процесса, позволившие установить закономерности процессов формообразования холодной кузнечной протяжкой медных заготовок, сформулировать граничные условия для анализа напряженного состояния в очаге деформации, проверить адекватность теоретических моделей, и построить статистические модели параметров процесса;
• разработанные и реализованные в промышленном производстве технологии изготовления типовых стенок сборных кристаллизаторов, со сформированной структурой, устойчивой к процессам микроскопической деформации- ,.
• методику проектирования формы кузнечных бойков, обеспечивающую при обработке медных заготовок надежность бойков по параметру безотказности, соответствующую лучшим мировым аналогам.
Практическая ценность и реализация работы. На основе предложенных в диссертации способа, методик расчета и установленных закономерностей процессов формоообразования холодной кузнечной протяжкой медных заготовок, результатов исследования параметров разработаны при личном участии автора новые технологии получения стенок сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок на ОАО «Машиностроительный концерн «ОРМЕТО-ЮУМЗ». Внедрение технологий обеспечило повышение долговечности стенок кристаллизаторов в 2,0.2,5 раза и расширение номенклатуры используемых материалов.
Публикации и апробация работы. Материалы работы опубликованы в 10 печатных трудах. Результаты работы доложены и обсуждены на международных и республиканских научно-технических конференциях в Рубцовске — 2004 г., Санкт-Петербурге — 2004 г., Пензе 2004 г., Пензе — 2006 г., Санкт-Петербурге — 2006 г. Работа обсуждена и одобрена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в 2008 году.
На способ изготовления изделий из бескислородной меди для кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок получен патент № 2 253 540 РФ. Конструкция кузнечного бойка защищена патентом на полезную модель 70 172 РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, списка литературы из 129 наименований. Содержит 118 страниц машинописного текста, 58 рисунков и 21 таблицу.
5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.
1. Выполнен анализ технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов и разработана классификация кузнечных бойков, на основе которых предложены новые перспективные технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности производства стенок сборных кристаллизаторов и улучшение их качества.
2. Разработана научно обоснованная методика проектирования технологии холодной, кузнечной протяжки медных заготовок стенок сборных кристаллизаторов, позволяющая на основе математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов и конструкции инструмента, определить возможность изготовления деталей и провести прогнозирование эксплуатационных характеристик изделий.
3. На основе теоретического анализа процессов, феноменологической теории разрушения и теории надежности разработана методика формирования дефектной структуры медных заготовок стенок сборных кристаллизаторов, устойчивой к микроскопической деформации и снижающей неравномерность деформаций при перераспределении дислокационных скоплений в развитую субструктуру. Благодаря созданной структуры, заготовки из бескислородной меди М-ЭЛП, обладают физико-механическими свойствами сопоставимыми с заготовками из серебросодержащей меди: предел прочности равен 350.380 МПа, предел текучести -240.260 МПа, твердость — 100. .115 НВ.
4. Разработаны методики экспериментального исследования процессов холодной кузнечной протяжки медных стенок сборных кристаллизаторов, позволяющие установить закономерности процессов, сформулировать граничные условия для анализа напряженного и деформированного состояний в очаге деформации заготовки и инструмента, проверить адекватность математических моделей и построить статистические модели исследуемых параметров.
5. В результате разработки и реализации в промышленном производстве технологий изготовления типовых стенок сборных кристаллизаторов, проектируемых с применением научно обоснованных в диссертации методик расчета и рекомендаций, долговечность стенок кристаллизаторов MHJI3 увеличена в 2,0.2,5 раза, расширена номенклатура используемых материалов. Изготавливаемые, по предложенной технологии, стенки кристаллизаторов конкурентоспособны на рынках Российской Федерации и промышленно-развитых стран.
6. Разработана методика проектирования кузнечных бойков, обеспечивающая формирование рационального соотношения между компонентами тензора деформации заготовки и безотказность наработки кузнечных бойков в размере 90.93 часов, с вероятностью 92%, что соответствует лучшим мировым аналогам.
