УДК 621.771.06:669.721:621.74.01:004.942:004.946
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СКВОЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ
© Скрипаленко Михаил Михайлович, канд. техн. наук; Баженов Вячеслав Евгеньевич; Романцев Борис Алексеевич, д-р техн. наук, проф.; Скрипаленко Михаил Николаевич, канд. техн. наук; Колтыгин Андрей Владимирович, канд. техн. наук
Научно-исследовательский и технологический университет «МИСиС». Россия, Москва. E-mail: misistlp@mail.ru Сидоров Александр Александрович
ООО «Тесис». Россия, Москва Статья поступила 24.12.2013 г.
Проведено компьютерное моделирование процесса получения слитка и его прошивки на прессе с использованием вычислительной системы конечно-элементного анализа ProCAST. Затем данные перекодировали для вычислительной среды конечно-элементного анализа DEFORM 3D, с помощью которой смоделировали процесс прошивки слитка на прессе. Установили влияние деформации при прошивке на изменение плотности обрабатываемого металла. Показаны возможность и перспективы совместного применения ProCAST и DEFORM 3D.
Ключевые слова: компьютерное моделирование; слиток; прошивка на прессе; ProCAST; DEFORM 3D; совместное использование; сквозные металлургические процессы.
При совершенствовании существующих и разработке новых технологий производства металлопродукции, а также при выборе режимов обработки давлением применение компьютерного моделирования является эффективным инструментом. Качество изделий, получаемых обработкой металлов давлением (ОМД) из слитков или непрерывнолитых заготовок, во многом определяется качеством литой структуры.
Актуальным является создание компьютерной модели процесса, включающего в себя получение литой заготовки, обработку полученной заготовки давлением с учетом влияния формоизменения на литую структуру. Как показали литературный обзор и мониторинг рынка программ компьютерного моделирования в области литейных процессов и ОМД, готовых решений подобных задач, наглядно представляющих результаты (с визуальным отображением влияния ОМД на литую структуру), в России нет. В мировой практике таких решений единицы. Пример одного из таких решений - работа [1], в которой сотрудниками компании TRANSVALOR показано влияние ковки на изменение литой структуры слитка. Для моделирования процесса получения слитка использована программа Thercast [2], а для моделирования ковки - Forge [3]. Результатов реализации изложенного в [1] подхода среди
пользователей этих программ найти не удалось. Стоит отметить, что на российском рынке данные программы не представлены. По результатам обзора исследований в области ОМД с применением вычислительных сред конечно-элементного анализа [4] было установлено, что по популярности среди исследователей программа Forge заметно уступает таким программным продуктам, как, например, DEFORM 3D. В качестве примера можно привести также проекты решений при моделировании процессов литья - нагрева - ковки слитка, предлагаемые ESI Group [5]. Решалась задача последовательного моделирования заливки и затвердевания крупного стального слитка, его нагрева под обработку давлением (с целью учесть снижение уровня напряжений в слитке) и ковки на прессе. При этом места расположения дефектов литья в виде точек с маркерами переносились из программы моделирования литейных процессов в программу, моделирующую процесс нагрева, и затем - с учетом полученных температурных полей - в программу расчета формоизменения ^ в процессе ковки. При такой постановке зада- ™ чи можно проследить перемещение литейных ^ дефектов и их влияние на качество деформированного металла. Однако в этом случае полно- £
с;
ценной передачи расчетной сетки с литейными < дефектами не происходит. Решение этой задачи s
возможно только при совместимости форматов представления расчетной сетки в различных программных продуктах, участвующих в вычислительной цепочке. К сожалению, обычно используемые в расчетах программные продукты созданы различными разработчиками и не обеспечивают полной совместимости форматов представления расчетных данных. В связи с этим в настоящее время процессы деформации обычно моделируются без учета литейных дефектов.
Цель работы - показать возможность компьютерного моделирования процесса, включающего в себя получение литой заготовки и ее последующую обработку давлением, на примере получения трубной заготовки прошивкой на прессе из слитка, полученного наполнительным литьем [6]. Главной задачей при этом было показать, что существует возможность не только определить, куда переместятся места с дефектами усадочного характера, но и рассчитывать изменение плотности (или пористости) материала слитка в процессе ОМД, а также наглядно представлять полученные результаты. В упомянутом выше примере совместного использования продуктов ESI Group не было возможности учесть изменение плотности, а значит, и возможное устранение дефектов в ходе ОМД. В работах [710] показано, что система компьютерного моделирования ProCast позволяет на высоком уровне моделировать процессы наполнительного литья слитков и достигать высокой степени совпадения с результатами, полученными в условиях производства. Программа ProCast позволяет также рассчитывать поля напряжений, возникших при формировании слитка.
Есть данные по применению DEFORM 3D для изучения уплотнения изделия в процессе его формообразования из порошков [11]. Вопрос моделирования влияния дефектов литейного происхождения на качество изделий после деформации активно изучается в последнее время, однако при компьютерном моделировании дефекты переносятся в расчетную сетку на основании исследований реальных слитков с использованием современных методов, например рентгеновской дефектоскопии [12]. В работе [12] дефекты переносили в расчетную сетку в виде пустот различной формы, а также сформулировали критерии, позволяющие предсказать возможность исчезновения пор в ходе пластической деформации.
В настоящей работе для моделирования процесса заливки и затвердевания слитка использовали программу ProCAST [13], а для мо-
делирования процесса обработки давлением - DEFORM 3D [14]. В результате исследований удалось напрямую передать данные из ProCAST в DEFORM 3D, что дало возможность непосредственно оценивать влияние ОМД на состояние интересующего объема заготовки.
В ProCAST моделировали процесс заливки стали 40 в металлическую изложницу и затвердевания слитка диам. 500 мм, высотой 1000 мм. Высота прибыли слитка - 500 мм. Прибыльная часть изложницы утеплялась с помощью надставки, футерованной шамотом. Распределение температуры в момент полного затвердевания слитка (с прибылью) и пористости по его осевому сечению показано на рис. 1.
Возможен экспорт результатов в другие программы как от слитка целиком, так и после обрезки прибыльной части. В трубопрокатном производстве для прошивки обычно используют слитки без прибыльной части, но встречаются и случаи, когда прошивают слиток с усадочной раковиной [15]. Известно, что в прибыльной части слитка наблюдается ликвация, и если необходимо получить слиток с одинаковыми свойствами по всей высоте слитка, иногда прибегают к наполнительному литью без прибылей. Моделирование такой задачи возможно только с использованием двух программ: одной для моделирования конфигурации усадочной раковины, а другой - для процесса прошивки. В таком случае имеется возможность проследить, как повлияет конфигурация усадочной раковины на конечный вид изделия. В работе [16] моделировали заливку и литье кузнечных слитков для изготовления полых поковок с целью определения формы усадочной раковины.
Для моделирования процесса деформации отделяли прибыльную часть слитка (см. рис. 1, б), после чего данные о пористости, температуре, сетке конечных элементов, материале и другие параметры перекодировали и загрузили в DEFORM 3D. При кодировке учитывали тот факт, что в ProCAST для характеристики сплошности материала используется пористость, а в DEFORM 3D - плотность, связанные соотношением
nopucmocmbFtoCASr
Плотностьтт1Ш 3D — 1 '
100
На рис. 2 показаны поля температуры и пористости, полученные в ProCAST, и загруженные после кодировки в DEFORM 3D. Так как в связи с отличиями представления данных в использованных программах возникла необходимость перестраивать сетку перед запуском расчета в
Temperature [С] 1600.0
Shrinkage Porosity [%]
I
1.87 1.73
1.20 1.07
0.53 0.40
0.13 0.00
ProCAST
Рис. 1. Распределение температуры (а) и пористости (б) в сечении слитка по результатам моделирования в ProCAST
DEFORM 3D, есть некоторое различие в отображении полей.
Далее моделировали процесс обработки давлением на прессе. Слиток поместили в контейнер и прошили сплошным пуансоном; диам. пуансона 180 мм, диам. контейнера 500 мм, высота контейнера 1500 мм, диам. матрицы 190 мм. Скорость перемещения пуансона задали равной 30 мм/с. Коэффициенты трения между заготовкой и пуансоном и заготовкой и контейнером приняли равными 0,3.
По результатам моделирования установили, как изменяется плотность в процессе деформации (рис. 3). На рис. 3 для наглядности сузили на 0,01 шкалу плотности и изменили ее цветовую гамму по сравнению с рис. 2, б.
Из рис. 3 видно, что при прошивке имеет место распространение фронта уплотнения материала вокруг торца пуансона при его перемещении. Это означает, что в определенной зоне слитка наблюдается исчезновение областей с пониженной плотностью. Очевидно, что это явление будет наблюдаться лишь на определенном расстоянии от пуансона, и моделирование способно показать, в каких частях заготовки устранение дефектов возможно, а где деформация развивается не столь значительно, чтобы способствовать устранению дефектов.
При производстве труб на прессах и в станах винтовой прокатки из непрерывнолитых заготовок (НЛЗ) возможность изучать изменение плотности заготовки с помощью компьютерной модели, аналогичной созданной по представленным результатам исследований, позволит разработать ряд рекомендаций. Так, например,
можно варьировать форму и размеры прошивного инструмента, изменять технологические параметры и настройки оборудования, в том числе калибровку валков
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.