научная статья по теме РАЗРАБОТКА СКВОЗНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Металлургия

Текст научной статьи на тему «РАЗРАБОТКА СКВОЗНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

УДК 621.001.57

РАЗРАБОТКА СКВОЗНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© Ромашкин Александр Николаевич, канд. техн. наук, e-mail: an_romashkin@cniitmash.ru; Дуб Владимир Семенович, д-р техн. наук, проф., e-mail: oms@cniitmash.ru; Иванов Иван Алексеевич, канд. физ.-мат. наук, e-mail: ia.ivanoff@gmail.com; Марков Сергей Иванович, д-р техн. наук, e-mail: simarkov@mail.ru; Мальгинов Антон Николаевич, e-mail: anmalginov@mail.ru; Толстых Дмитрий Сергеевич, e-mail: tolstyh_d@mail.ru ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Россия, Москва Статья поступила 17.03.2014 г.

Представлены примеры использования компьютерного моделирования для оценки влияния технологических параметров на характеристики качества заготовок и разработки на основе этого рациональных технологических режимов.

Описаны оцениваемые при моделировании процессов затвердевания и ковки критерии. Рассмотрена возможность использования результатов, полученных при моделировании затвердевания, в качестве исходных данных при моделировании процессов ковки.

Ключевые слова: компьютерное моделирование; ковка; затвердевание; структура.

Одним из методов снижения стоимости изготовления металлопродукции, повышения уровня свойств конструкционных и функциональных материалов, а также способом уменьшения разброса этих свойств является предварительное моделирование этапов производственного процесса и выявление оптимальных значений технологических параметров. На каждом из этапов технологического цикла качество заготовки описывается своим набором критериев, значения которых во многом определяют особенности технологии дальнейшего передела. В связи с этим разработку технологических процессов (в том числе с использованием компьютерного моделирования) каждого последующего этапа следует проводить с учетом максимального количества характеристик качества заготовки/полупродукта, достигаемых в ходе предыдущих этапов. Вопросам разработки сквозных технологических процессов на основе компьютерного моделирования посвящено много публикаций, последние из которых - работы [1-3].

Моделирование затвердевания. Первым этапом цикла производства заготовок для машиностроения, технология которого может быть разработана на основе результатов компьютерного моделирования, является разливка и затвердевание слитка. Для моделирования протекающих на этом этапе процессов существует большое число специализированных программных про-

дуктов - ProCast, Magma, LVM-Flow, Thercast, отечественный продукт «Полион». В ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» для этого применяют компьютерную программу собственной разработки «Крупный слиток» [4], а также коммерческую программу ProCast.

Принципиальный подход к разработке технологии получения слитка заключается в планировании ортогонального двухфакторного эксперимента с изучением влияния на исследуемую характеристику качества слитка, прежде всего параметров, в наибольшей мере определяющих особенности затвердения слитка, - конусность и отношение высоты слитка к его среднему диаметру (H/D). В качестве варьируемых параметров также могут быть использованы доля прибыльной и/или кюмпельной части слитка, теплофи-зические свойства применяемых теплоизоляционных материалов, толщина стенки изложницы и др. Зависимость исследуемой характеристики качества слитка от этих параметров оценивают, как правило, уравнением регрессии второго порядка.

В качестве исследуемых характеристик рассматривают объем пор в зоне осевой рыхлости, размеры этой зоны, концентрацию ликватов по сечению слитка (прежде всего углерода, серы и фосфора) и расстояния между осями дендритов.

Изучение физической неоднородности слитков. Усадочные поры в слитке, достаточно легко обнаруживаемые методами УЗК, в ряде случаев

Рис. 1. Две возможные схемы затвердевания: а - с затрудненной подпиткой

расплавом и затрудненным удалением неметаллических включений; б - с благоприятными условиями для удаления неметаллических включений и подпитки затвердевших объемов металла расплавом; • - включения

являются браковочным признаком. Так, валки холодной прокатки, пораженные усадочной рыхлостью, разрушаются в процессе поверхностной закалки токами промышленной частоты, что приносит убытки производству и создает напряженность и опасность при работе на закалочной установке. Наличие дефектов усадочного происхождения в сочетании с высоким содержанием углерода в валковой стали провоцирует преждевременное усталостное разрушение валков. Кроме того, наличие в слитке осевой рыхлости свидетельствует о повышенной вероятности присутствия в нем неметаллических включений (НВ), как образовавшихся в процессе затвердевания, так и попавших в изложницу вследствие захвата разливаемой сталью шлака и/или продуктов разрушения огнеупоров из ковша. Взаимосвязь наличия дефектов усадочного происхождения и неудалившихся НВ обусловлена тем, что и для предотвращения формирования усадочных пор, и для удаления НВ при затвердевании необхо-

дима возможность беспрепятственного массообмена между выше- и нижерасположенными слоями металла. При нарушении этого условия НВ лишены возможности всплыть вверх и, соответственно, удалиться из тела слитка, а заполняющий усадочные пустоты расплав не может проникнуть вниз (рис. 1).

Следует отметить, что принцип обеспечения условий для направленного затвердевания и удаления НВ всплыванием принят за основу выбора конструкции современных МНЛЗ с кристаллизатором вертикального типа и/или с вертикальным участком после кристаллизатора.

Влияние типа МНЛЗ на распределение кислорода по толщине сляба показано на рис. 2 и 3. Как видно, в металле, разлитом на криволинейной МНЛЗ, содержание кислорода резко повышается у стороны сляба, соответствующей малому радиусу МНЛЗ. Это связано с тем, что при разливке на такой машине выделяющиеся при кристаллизации включения, всплывая, сталкиваются с фронтом кристаллизации, идущим со стороны малого радиуса, и удерживаются на нем, т.е. в итоге эти включения остаются в металле. На МНЛЗ вертикального типа подобного захвата всплывающих включений не происходит, и потому они имеют возможность полностью удалиться из металла в процессе кристаллизации; именно поэтому металл, разлитый на МНЛЗ вертикального типа, характеризуется большей чистотой по содержанию кислорода и НВ.

о

90 80 70 60 50 40 30 20 10

• Криволинейная МНЛЗ о Вертикальная МНЛЗ ¡J

(*

4. . .sí .«й*

3 О о - oV _CU о о ° _

О о о о о°о

° о 0 п

О . °

о с

20 40 60 80 100 Расстояние от фиксированной стороны, %

о <

С

2 3

Тип МНЛЗ

Рис. 2. Влияние конструкции МНЛЗ на чистоту стали

(криволинейная МНЛЗ: Я = 5 м; и = 1 м/мин; вертикальная МНЛЗ: и = 0,35 м/мин) [5]

Рис. 3. Влияние конструкции МНЛЗ на чистоту стали

по НВ: 1 - криволинейная; 2 - радиальная; 3 - криволинейная с вертикальным кристаллизатором; 4 - вертикальная [6]

1

4

0

Рис. 4. Влияние конусности K слитка массой 65 т из стали 10ГН2МФА и отношения его высоты к среднему диаметру H/D на объем Упор осевой рыхлости (пораженная зона выделена цветом): 1 - H/D = 2,55; K = 2; Упоп = 219 см3;

2 - H/D = 1,65; K = 12; V = 65 см3; 3 - H/D = 0,75; K -

пор

2; V =

' пор

20; V = 0 см

пор

Как уже было сказано, в качестве критерия количественной оценки физической неоднородности слитка, определяемого при компьютерном моделировании процесса затвердевания, может быть использован объем пор зоны осевой рыхлости и/или размеры этой зоны. Пример проведенного в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» исследования влияния геометрии слитка на эту характеристику опубликован в работе [7]. Результаты этого исследования (рис. 4) наглядно иллюстрируют изменение размеров зоны осевой рыхлости в слитке по мере изменения соотношения H/D и конусности слитка.

На основе результатов подобных экспериментов могут быть получены количественные зависимости объема пор в теле слитка от его размеров и разработаны соответствующие рекомендации по совершенствованию конфигурации слитков.

В целом изучение влияния конфигурации слитка на его физическую неоднородность показывает, что при массовой доли прибыли 20% осевая пористость в слитке монотонно уменьшается при уменьшении H/D от 2 до 1 и при увеличении K до 18%. При значении H/D = 1 объем осевой рыхлости близок к нулю при любой конусности. При K = 18 % V также близок к нулю при любом значении H/D. Ниже будет показано, что для повышения химической и структурной однородности слитков значения H/D следует увеличивать, а K, наоборот, уменьшать. Поэтому оптимальные значения этих параметров следует определять индивидуально для стали каждой марки (группы марок).

В общем случае наличие усадочных дефектов в слитках для сплошных изделий нежелательно и, возможно, в слитках для полых изделий. Компьютерное моделирование позволяет оценить вероятность появления зоны осевой рыхлости, определить ее размеры и предсказать ее трансформацию, а также возможность полного удаления при прошивке заготовки в процессе ковки.

Изучение химической неоднородности. Вторым критерием качества слитков, оцениваемым при разработке сквозной технологии производства заготовок для машиностроения в общем случае и технологии разливки, в частности, является химическая неоднородность металла. Последняя может явиться причиной повышенной дисперсии свойств готовой металлопродукции. Проявление ее в грубых формах (например, в виде внецентренной канальной ликвации) приводит к затруднениям при изготовлении изделий ответственного назначения, а в ряде случаев и к бракованию заготовок и готовой металлопродукции.

Образование химической неоднородности слитка является неизбежным следствием особенностей процессов затвердевания, при этом степень ее развития определяется кинетическими особенностями этих процессов, зависящими, в свою очередь, от размеров и конфигурации затвердевающего слитка. Наименьшая степень развития химической неоднородности свойственна максимально быстро затвердевающим слиткам, т.е. слиткам с наиболее развитой удельной (приходящейся на единицу массы) поверхностью охлаждения: слитки с высоким (длинные стержни) или сверхнизким (диски) отношением H/D. Наибольшей химической неоднородностью характеризую

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.

Показать целиком