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.