автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование теплового состояния водоохлаждаемых оправок для увеличения их износостойкости при прошивке заготовок из легированных сталей

На правах рукописи

БОДРОВ ДАНИИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ОПРАВОК ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПРИ ПРОШИВКЕ ЗАГОТОВОК ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005043382

1 7 МАЙ 2012

Москва-2012

005043382

Работа выполнена на кафедре технологии и оборудования трубного производства (ТОТП) в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Вавилкин Николай Михайлович Официальные оппоненты:

Юсупов Владимир Сабитович

Зимин Владимир Яковлевич

профессор, доктор технических наук, зав. лаб. Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт металлургии и

материаловедения (ИМЕТ РАН) им. A.A. Байкова

кандидат технических наук, главный специалист по бесшовным трубам дирекции по технической стратегии ЗАО «ОМК»

Ведущая организация:

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»

Защита состоится июня 2012 года в 14 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.132.09 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» по адресу: •

119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Автореферат разослан «£~>> мая 2012 года

Справки по телефону: (495) 955-01-27 e-mail: irina@pdss.misis.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

Ионов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Операция прошивки в станах винтовой прокатки в значительной мере влияет на технико-экономические показатели процесса производства бесшовных труб, а прошивная оправка является важнейшим элементом технологического инструмента, определяющим качество получаемой гильзы. Оправки эксплуатируются при высоких температурах и давлениях, а тенденция к производству бесшовных труб из легированных сталей существенно усугубляет эти условия. Используемые для изготовления оправок конструкционные и инструментальные стали не вполне соответствуют новым условиям их эксплуатации, и поэтому изучение их теплового состояния, оказывающего наибольшее влияние на износостойкость, является актуальной задачей.

Циклическое воздействие на оправку высоких температур при прошивке и резкое их снижение в процессе охлаждения весьма опасно из-за вероятности появления термических напряжений, что обуславливает необходимость его исследования.

Существующие способы повышения износостойкости оправок в новых условиях эксплуатации не позволяют достичь удовлетворительных результатов, и поэтому весьма актуальным является разработка новых конструкций и совершенствование режимов охлаждения изнутри.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является исследование теплового и термонапряженного состояния водоохлаждаемых оправок при прошивке легированных сталей и разработка на этой основе способов увеличения их износостойкости.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- произвести сравнительный анализ и выбрать рациональный метод расчета температурных полей водоохлаждаемых прошивных оправок;

- определить тепловое и термонапряженное состояние водоохлаждаемых оправок, исследовать влияние на них технологических факторов прошивки и

оценить адекватность полученных результатов в промышленных условиях;

- изучить механизм износа водоохлаждаемых оправок из конструкционных хромоникелевых сталей и эффект термоциклического упрочнения;

- определить тепловые поля оправок различных конструкций и проверить в промышленных условиях их эффективность;

- предложить конструкцию оправки без выпрыска воды и пара для прошивки высокохромистых сталей;

- разработать методику прогнозирования износостойкости оправок при прошивке углеродистых и легированных сталей и проверить её адекватность.

Научная новизна:

1. Выполнен сравнительный анализ методов конечных разностей и конечных элементов, на основе которого последний выбран для расчета тепловых полей водоохлаждаемых оправок.

2. Разработана методика и произведен расчет теплового состояния водоохлаждаемых оправок, исследовано влияние основных технологических факторов прошивки на тепловое поле, адекватность которого установлена промышленным экспериментом.

3. В результате решения линейной квазистатической задачи термоупругости определены термические напряжения, возникающие в переменном тепловом поле оправок, установлены потенциально опасные области.

4. На основании экспериментальных исследований определены закономерности износа оправок из хромоникелевых сталей и обоснован эффект термоциклического упрочнения обеспечивающий увеличение их износостойкости при прошивке легированных сталей.

5. Разработаны методики и произведен расчет теплового и термонапряженного состояния оправок с наплавкой, жаропрочным наконечником и развитой полостью охлаждения, позволяющий усовершенствовать их конструкцию для увеличения износостойкости.

Реализация результатов работы:

- сформулированы рекомендации по изготовлению оправок различных

4

конструкций и использованию жаропрочных материалов позволяющие повысить их износостойкость, опробованные в промышленных условиях;

- разработаны конструкция водоохлаждаемой оправки и стержня прошивного стана (патент РФ № 2423194);

- результаты исследования внедрены путем передачи в виде комплексной компьютерной программы прогнозирования износостойкости оправок на ОАО «СинТЗ»;

- результаты работы внедрены в процесс обучения студентов по направлению «Металлургия» с профилем «Обработка металлов давлением».

Методы исследований и достоверность результатов. При разработке методики создания моделей теплового состояния водоохлаждаемых прошивных оправок использована система твердотельного моделирования SolidWorks, для расчета тепловых и термонапряженных полей использованы интегрированная среда разработки приложений RAD Studio 2007 и расчетный модуль COSMOSWorks. При изучении эффективности системы охлаждения водоохлаждаемых прошивных оправок применялся расчет с помощью модуля Flow Simulation. Также использовались методы металлографических исследований при изучении механизма износа.

Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, имеют теоретическое и практическое обоснование, получены с использованием экспериментальных и теоретических методов исследования, математической обработки результатов на современной вычислительной технике. Промышленное опробование подтвердило адекватность полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации изложены и обсуждены на: международной, межвузовской научно-технической конференции «64-е дни науки студентов МИСиС» (Москва, 2009); международной, межвузовской научно-технической конференции «65-е дни науки студентов МИСиС» (Москва, 2010); научно-технической конференции

«Павловские чтения» (Москва, ИМЕТ РАН, 2010).

5

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 печатных работах, из которых 7 статей - в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, изложена на 155 страницах машинописного текста, включающего 120 рисунков, 11 таблиц, библиографический список из 84 наименований отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, отражена цель, раскрыта научная новизна, практическая значимость и приведена структура диссертации.

В первой главе рассмотрены особенности эксплуатации прошивных водоохлаждаемых оправок, работающих в тяжелых условиях, подвергаясь длительному воздействию высоких температур и большим давлениям. Износостойкость водоохлаждаемых оправок значительно выше по сравнению со сменяемыми - в среднем 600-1000 проходов, но при прошивке легированных сталей количество циклов, в лучшем случае, достигает 150. Наибольшее распространение получили оправки со сферической рабочей частью и узким каналом охлаждения в головной части, переходящим в более широкий.

Практика трубопрокатного производства и анализ технической литературы показывают, что основными видами износа прошивных оправок являются: пластическая деформация носка и рабочей поверхности; местная выработка, истирание, задиры и вырывы металла из тела оправки; трещины в виде сетки разгара, зональные трещины; оплавление рабочей части оправки; налипание металла заготовки на оправку.

Анализ износа позволяет сделать вывод о том, что основным фактором определяющим стойкость оправок является уровень температуры и её распределение по объёму прошивного инструмента.

Сравнительный анализ способов получения температурных моделей

показал, что аналитические методы не позволяют учесть все условия эксплуатации и получить достоверные результаты распределения температуры. Наиболее эффективными для оценки теплового состояния прошивных оправок являются численные методы конечных разностей (МКР) и элементов (МКЭ). МКР является одним из наиболее точных, но в тоже время область его применения существенно ограничена формой рассматриваемого тела. Достаточную точность можно получить только на фигурах простой формы. Использование этого метода позволило получить физически достоверную картину распределения температуры по объёму сменяемых оправок. Для водоохлаждаемых прошивных оправок имеющих более сложную конфигурацию целесообразно использовать МКЭ на основе современных программных комплексов (CosmosWorks, Deform, Forming, Algor, Ansys, Nastran и тд.), позволяющих моделировать процессы теплообмена и деформации. Для расчета с применением этого метода необходимо описание конфигурации исследуемого объекта конечно-элементной сеткой на основе твердотельной модели созданной в CAD системах.

Известны конструктивные решения, позволяющие снизить износ оправки в частности носок может быть изготовлен из более высокопрочного материала, чем основное тело оправки. Весьма эффективным способом увеличения износостойкости оправок является наплавка на её носок. Наиболее простым способом устранения пластической деформации оправки считается подбор соответствующего материала для её изготовления, который чаще всего осуществляется опытным путем. При получении нержавеющих гильз и труб применяют оправки из жаропрочных материалов, например на никелевой основе.

Трещины в виде сетки разгара образуются на оправке из-за термических напряжений циклического характера при нагреве во время прошивки и охлаждения в паузах между проходами. С целью предотвращения их появления рекомендовано использовать для изготовления оправок материалы с повышенной теплопроводностью, жаропрочностью, а также совершенствовать режимы охлаждения оправок, снижая величину термических ударов.

Большинство исследователей считают, что решающее влияние на износостойкость оправок оказывают уровень удельных усилий на контактной поверхности, а также температурные условия их работы, которые влияют на прочность материала оправки.

Во второй главе представлены результаты исследования теплового состояния водоохлаждаемых прошивных оправок на основе решения нестационарного дифференциального уравнения теплопроводности.

Пренебрегая влиянием рабочих валков и направляющих линеек тепловой баланс прошивной оправки определяется температурой заготовки, деформационным разогревом и трением заготовки об инструмент. Охлаждение оправки осуществляется постоянно изнутри и в паузах между прошивками снаружи. Для сокращения времени вычисления было введено упрощение, что очаг деформации симметричен относительно оси прошивки.

Для учета особенностей теплового эффекта деформации в качестве материала заготовки принимали углеродистые, легированные стали из сортамента производимых труб на ОАО «СинТЗ»,

При расчетах теплового поля оправки использовали физические характеристики конструкционной хромоникелевой стали 12Х2МФСР, изменяющиеся в зависимости от температуры. Решение температурной задачи проводилось в граничных условиях (ГУ) 2го и Зго рода.

В области раздела деформируемый металл - окалина - оправка ГУ задавались в виде тепловых потоков, плотность которых при теплообмене излучением в зазорах определялась по закону Стефана-Больцмана. Для охлаждения изнутри рассмотрено изменение значений коэффициента теплоотдачи а при различных стадиях парообразования жидкости в зависимости от ее давления р и температурного напора А/ = • /„ где -температура стенки; - температура насыщения, при которой жидкость изменяет свое агрегатное состояние и происходит зарождение и рост пузырей.

Параметры прошивных станов ТПА-80 и ТПА-140 ОАО «СинТЗ» и

условия проведения промышленных экспериментов приведены в таблице 1.

8

Таблица 1 - Параметры прошивных станов ТПА-80 и ТПА-140 ОАО «СинТЗ» и условия проведения промышленных экспериментов

Параметры ТПА-80 ТПА-140

Заготовка:

- диаметр, мм 100-120 115-156

- длина, мм 1200-3350 1200-3850

Гильза:

- наружный диаметр, мм 98-126 108-106

- толщина стенки, мм 14-22 7-27

- длина, мм 1800-6400 4000-8000

Рабочая клеть:

- диаметр рабочих валков в пережиме, мм 800-900

- частота вращения валков, мин"1 12-130 80-120

- тип валков бочковидные грибовидные

- угол подачи, град. 0-14 0-20

- угол раскатки, град. 0 +17

Условия прошивки:

- обжатие в пережиме, % 10,8 10,3-10,8

- коэффициент овализации 1.121 1.114-1.121

- температура нагрева заготовок, "С 1170-1240

Прошивной инструмент:

- диаметр валков, мм 600-850 900-1000

- длина бочки валков, мм 500-600 450-550

- угол входного конуса, град. 2-5 19,30

- угол выходного конуса, град. 3-6,5 10,25

- максимальный диаметр оправок, мм 80-88 82-122

На первом этапе исследований произведено сравнение двух расчетных методов конечных разностей и элементов по уровню температуры в характерных точках. Это обусловлено тем, что МКР эффективен для расчета тепловых полей тел простой формы. Однако для тел со сложной конфигурацией, а тем более полых, его применение чрезвычайно трудоёмко. Сравнительный анализ расчета температурных полей произведенный для оправки диаметром 98 мм показал достаточную сходимость результатов (в пределах 5%) и их соответствие значениям температур полученных экспериментально в характерных точках. Так как водоохлаждаемая оправка имеет достаточно сложную конфигурацию и описание геометрических размеров конечно-разностной сеткой сопряжено со значительными трудностями, расчеты тепловых полей при изменении их диаметров и

конфигурации в дальнейшем производились МКЭ. Использование МКЭ предусматривало создание твердотельных моделей в комплексе SolidWorks с последующим получением конечно-элементной сетки. Для оценки изменения температуры оправок в цикле прошивки и охлаждения были выбраны 6 характерных точек. Расчет теплового состояния МКЭ производился с использованием приложения CosmosWorks для трёх оправок с диаметрами 84, 98 и 120 мм. С использованием разработанной методики производились расчеты теплового состояния в широком диапазоне изменения технологических факторов. При этом полученные результаты можно представить в визуализированной форме, используя шкалу с заданным цветовым диапазоном и в виде графиков изменения температуры в характерных точках.

Как показал анализ полученных результатов, распределение температуры по объему имеет осевую симметрию, наиболее разогретыми являются носок и прилегающие к нему участки сферической поверхности. Так для оправки диаметром 98 мм максимальная температура на носке tH = 930 °С, на сферической поверхности -1сф= 664 °С.

Существенное влияние на тепловое состояние оказывает материал прошиваемой заготовки. При прошивке сталей содержащих значительное количество таких легирующих элементов как Cr, Ni, Mo и др. в среднем увеличение температуры составляло около 80 °С, что обусловлено деформационным разогревом.

Прошивка с использованием бочковидных (ТПА-80) и грибовидных (ТПА-140) рабочих валков не приводила к заметному изменению теплового состояния, что видимо, свидетельствует о незначительном вкладе в тепловой баланс прошивной оправки скольжения металла по рабочей поверхности.

В цикле наружного охлаждения необходимо отметить образование области, расположенной под сферической поверхностью, на 50-70 °С превышающий температуру соседних зон, объем которых возрастает с увеличением диаметра оправок.

При анализе распределении температур в характерных точках,

10

представленных на рисунке 1, установлено, что при выбранных условиях нагрева (3,5-5 с) и охлаждения (12-16 с) уже через 5 циклов наблюдается квазистационарное тепловое состояние. Характер кривых изменения температуры оправок различных диаметров подобен. Для оправки с меньшей массой скорости увеличения и уменьшения температуры несколько выше. В цикле наружного охлаждения отмечается резкое снижение температуры поверхности с одновременным прогревом внутренних зон. Наблюдается тенденция к общему снижению градиента температур по поперечному сечению и длине при увеличении диаметров оправок. Также необходимо отметить существенное влияние на общее снижение температуры времени наружного охлаждения (с 8 до 16 с).

цифрами обозначены точки на поверхности ] - носка оправки; 2 - внутреннего канала охлаждения; 3 - перехода носка в сферическую часть; 4 - сферической части; 5 - канала с меньшим диаметром; б - канала охлаждения с большим диаметром

Рисунок 1 - Изменение температуры оправки диаметром 98 мм в

контрольных точках на пятом цикле нагружения

Установлено, что значительное воздействие на тепловое состояние

оказывает общее время контакта при прошивке т„ (машинное время). Для

оценки этого фактора проводился расчет теплового поля носка и прилегающих

к нему наиболее нагретых областей оправки. При увеличении времени цикла

11

прошивки от 3,5 до 5 с установлено, что температура носка возрастает от 860 до 930 °С. Полученные закономерности позволяют оценить влияние на тепловое поле оправки факторов связанных с общим временем прошивки: 1 - длины исходных заготовок; 2 - скорости вращения валков; 3 - угла подачи. Производить оценку теплового состояния в зависимости от технологических факторов при освоении нового сортамента бесшовных труб можно используя известную формулу, связывающую машинное время прошивки и вышеперечисленных показателей.

Анализ полученных результатов показал, что увеличение длины заготовки с 2,1 до 3 м, а соответственно и гильзы с 4,2 до 6 м приводит к повышению температуры носка до 980 °С, а сферической части до 630 °С, что по-видимому близко к критическим значениям. Уменьшение частоты вращения валков со 120 мин"1 до 84 мин"1 приводит к подобному эффекту, и в этой связи также нежелателен. Снижение угла подачи до 8,3° также приводит к значительному разогреву, а увеличение /? до 14° обеспечивает приемлемые значения температуры носка (820 °С), и части сферической поверхности (510 °С).

На ТПА-80 для проверки полученных значений проводился промышленный эксперимент по измерению температуры оправки. После прошивки и выдвижения оправки из очага деформации пирометром фирмы Яа^ек замерялась температура на поверхности носка и сферической части. При сравнении результатов ошибка не превысила 10% с расчетными данными, что свидетельствует об адекватности полученных значений в характерных точках.

В третьей главе представлены результаты исследования термонапряженного состояния водоохлаждаемых оправок. Тепловое поле определяет интенсивность и распределение термических напряжений, возникающих в оправке при нагреве во время прошивки и в цикле наружного охлаждения. Для анализа этого явления были выбраны оправки диаметром 84 и 98 мм. Решение задачи термоупругости реализовано в приложении Созтоз'^гкв методом конечных элементов в линейной постановке для выбранных временных шагов.

В процессе вычисления было установлено, что наиболее подверженными термическим напряжениям являются сферическая часть оправки и внутренняя поверхность полости охлаждения. На рабочей части компоненты напряженного состояния О] и а3 являются сжимающими, а максимального значения они достигают по окончании прошивки, происходящей в течение 5 с. При этом с увеличением диаметра оправки уровень напряжений возрастает. Наружное охлаждение (в паузе), осуществляемое в течение 12 с, приводит к изменению знака напряжений. Интенсивность напряжений о, слабо зависит от диаметра оправки и непрерывно увеличивается до конца деформации.

Главное нормальное напряжение О] на внутренней поверхности практически не зависит от диаметра оправки и достигает максимального значения по завершении цикла прошивки. Следует также отметить существенные отличия в характере возрастания О] и 03 в процессе прошивки и значительно меньший уровень последнего. Наибольший интерес представляет распределение термических напряжений в полости охлаждения. Увеличение а, наблюдается при переходе от узкой части канала к более широкой. Для оправок диаметром 84 и 98 мм в этой области она составляет 640 и 430 МПа соответственно. Также следует отметить значительную неравномерность о,- по толщине стенки и ее длине. Например, в оправке диаметром 98 мм в месте минимальной толщины стенки значение см изменяется от 400 МПа на поверхности полости охлаждения до 100 МПа в середине и далее вновь возрастает до 900 МПа на наружной поверхности. В оправке диаметром 84 мм уровень ст,- в одноименных точках на 30-50 МПа ниже. Неравномерность распределения напряжений наиболее заметна в момент завершения прошивки.

Сравнительный анализ напряжений при увеличении продолжительности цикла прошивки показал, что изменение времени прошивки не отразилось на форме кривых. Отмечается, что наиболее значительная интенсивность напряжений наблюдается на поверхности полости охлаждения. В точках 4 и 8 обеих оправок кривые напряжений совпадают в течение прошивки, а на этапе охлаждения присутствует значительное различие (=100 МПа). В целом при

13

уменьшении времени контакта с металлом уровень напряжений прошивной оправки снижается.

В четвертой главе приведены результаты исследования механизма износа водоохлаждаемых прошивных оправок. Применение на ОАО «СинТЗ» в качестве материала для изготовления оправок конструкционной хромоникелевой стали обеспечивает достаточную износостойкость и экономически оправданно, однако её использование при прошивке заготовки из средне- и высоколегированных сталей резко снижает показатели стойкости прошивных оправок.

В ходе проведения исследований, при прошивке легированных сталей была замечена особенность износа - так называемый эффект термоциклического упрочнения, а именно увеличение срока службы при применении оправок ранее использованных для прошивки заготовок из углеродистых сталей (примерно после 110 циклов).

Для выяснения механизма износа проводились исследования микротвердости по поперечному сечению наиболее нагруженных областей и микроструктур в этих местах. Изучению подвергались оправки в исходном состоянии, обкатанной (после 110 циклов) и изношенной (после 600 циклов).

Микроструктура стали 12Х2МФСР после нормализации и отпуска достаточно однородна по сечению оправки. Термическая обработка проводится и для создания оксидного слоя на поверхности, препятствующего налипанию. Твердость материала оправки после термической обработки составляет -310 НУ.

Характер распределения температуры, выявленный выше, позволяет весь объем оправки разделить на две зоны воздействия нагрева и охлаждения. Первая приграничная область головной части, подвергающаяся неполной закалке и вторая - прилегающая к каналу охлаждения без неё.

Анализ распределения микротвердости по поперечному сечению сферического участка оправки показал, что значения микротвердости обкатанной и изношенной оправок на основной части темплета (18-20 мм от отверстия охлаждения) выше исходной на 35 НУ и на 15 НУ соответственно.

14

Это можно объяснить циклическим воздействием высоких температур (700 -800 °С), воспринимаемых оправкой при прошивке, и быстрым охлаждением водой в паузах, что является условием неполной закалки, вследствие которой происходит наложение ее результата на исходную термическую обработку. Очевидно, что в интервале циклов 110 - 600 происходит плавное уменьшение микротвердости на этом участке оправки, что не может привести к выходу ее из строя. Наибольший интерес представляет приграничная область наружной поверхности оправки. Здесь наблюдаются различные тенденции: - увеличение микротвердости для обкатанной оправки и уменьшение для изношенной.

По результатам ранее проведенных исследований было обнаружено, что для хромоникелевых сталей в диапазоне температур 650-800 °С происходит резкое увеличение скорости диффузии углерода. Изучение участка на расстоянии 18-20 мм от поверхности показало существенное изменение его микроструктуры. Прежде всего, необходимо отметить появление феррита. Мелкозернистая структура феррита (рисунок 2а) обеспечивает увеличение твердости приграничного слоя и, по видимому, улучшает адгезионные и смазочные свойства окалины, что приводит к увеличению износостойкости прошивных оправок. На приграничной области в головной части с увеличением количества циклов до 600 происходит, как видно из рисунка 26, существенное увеличение толщины обезуглероженного слоя со 150 мкм до 350 мкм на обкатанной и изношенной оправках соответственно, так как при нагреве и

Рисунок 2 - Микроструктура обкатанной (а) и изношенной (б) оправок, х250

15

охлаждении оправки во время прошивки ее поверхность подвергается воздействию температуры в вышеупомянутом диапазоне. При этом зерно феррита становится крупнее.

Эффект термоциклического упрочнения оправки, заключающийся в увеличении износостойкости при прошивке легированных сталей, обусловлен, прежде всего, постепенным увеличением прочностных свойств приграничных (1,5-3,0 мм) слоев оправки за счет образования мелкозернистого слоя феррита прочно сцепленного со слоем оксида на поверхности оправки. В этом интервале циклов воздействия высоких температур и охлаждения, значительных удельных усилий толщина и свойства оксида, по-видимому, являются рациональными. Об этом косвенным образом свидетельствует тот факт, что в случае охлаждения оправки до комнатной температуры происходит осыпание слоя оксида с поверхности из-за термических напряжений и эффект увеличения износостойкости не проявляется. Усугубление воздействия высоких температур и силовых условий при эксплуатации оправок при прошивке легированных сталей, по-видимому, приводит к интенсификации процессов диффузии углерода и связанных с ними изменениями микроструктуры.

В пятой главе рассмотрены способы увеличения износостойкости оправок посредством изменения конструкций и материалов для их изготовления. На основании анализа теплового состояния установлено, что температура на носке оправок составляет 940-1000 °С, а прилегающей к нему сферической части 600-650 °С. Для конструкционных хромоникелевых сталей используемых для изготовления оправок рабочий диапазон температур для носков существенно превышен. Одним из эффективных способов позволяющих обеспечить это соответствие является использование жаропрочных сплавов. Тепловой расчет проведённый для оправки из мартенсито-стареющего сплава ЭП-745, показал увеличение температуры характерных областей (носка и сферической части) на 80 и 30 °С, что обусловлено его пониженной теплопроводностью по сравнению с оправками изготовленными из обычной стали. Таким образом, прошивка на жаропрочных оправках будет происходить

16

в верхнем диапазоне их рабочих температур и такого вида износа, как пластическая деформация носка, можно избежать.

Традиционным способом продления срока службы прошивных оправок является наплавка жаропрочного сплава на её носок. Учитывая выявленный характер распределения температуры по объёму рекомендовано наплавку производить и на сферический участок. Для подбора необходимой толщины наплавки произведен анализ температурного и термонапряженного состояния оправок с наплавленным слоем 2 и 4 мм, в результате которого установлено, что характер зависимости температуры от времени циклов прошивки и охлаждения аналогичен цельной оправке, а её величина на наплавляемых участках несколько выше. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности материала наплавки на ~ 10% меньше у основного материала оправки, поэтому в цикле наружного охлаждения снижается эффективность отвода тепла с внешней поверхности.

Для оценки изменений температуры было выбрано 5 точек на внешней поверхности и одна под наплавленным слоем (рисунок 3).

Для носка оправки возрастание температуры наплавленного слоя, при его увеличении с 2 до 4 мм составляет 40 и 80 СС соответственно. Особое внимание было уделено области соединения жаропрочного слоя с основным металлом, обладающей пониженными прочностными свойствами. Градиент температур между точками 4 и 6 для толщины наплавки 4 мм составляет около 100 °С. Интенсивность термических напряжений под наплавкой достигающая своего

Рисунок 3 - Твердотельная модель оправки диаметром 84 мм с толщиной

наплавленного слоя 4 мм и указанием контрольных точек

17

максимального значения к концу прошивки составляет 588 МПа. Значительное влияние на уровень термических напряжений возникающих в оправке оказывает оказывает толщина наплавки. Так с её увеличением (от 2 до 4 мм) интенсивность напряжений снижается как на рабочих, так и на поверхностях полостей охлаждения. Особенно этот эффект заметен на носке оправки. В контрольной точке 1 эта разница достигает 140 МПа, а в самом нагруженном участке на внутренней поверхности (точка 5) - 32 МПа. На границе соединения наплавки с основным металлом также отмечается понижение интенсивности напряжений. Это обусловлено замедлением теплообмена, связанным с появлением слоя материала имеющего более низкую теплопроводность, чем сталь оправки. При этом температурное поле в поверхностных слоях оправки становится более равномерным.

Еще одним способом увеличения износостойкости является изготовление составных оправок с применением жаропрочного сплава для носка, подверженного наибольшему воздействию высоких температур. Варианты изготовления этих оправок могут различаться способом соединения носка и основной части оправок: по конусу, по резьбе и сваркой.

В процессе моделирования температурного состояния оправки с

жаропрочным носком, ввёрнутым по резьбе в основную часть оправки,

изготовленной из обычной стали, отмечается установление квазистационарного

теплового состояния после 14-го цикла, в месте соединения наблюдается

плавный рост температуры по мере увеличением количества циклов. Это

свидетельствует о недостаточном отводе тепла посредством внутреннего и

наружного охлаждения, из-за наличия воздушных зазоров в резьбовом

соединении. При проведении промышленного эксперимента на ТПА-80 было

установлено, что полный износ прошивной оправки происходит уже после 18

циклов по причине оплавления сферической поверхности. Для увеличения

срока службы оправок с резьбовым соединением можно рекомендовать при

изготовлении производить нарезку резьбы внутри жаропрочного носка, для

вворачивания основной части. Для недопущения работы обычной стали

18

оправки при повышенной температуре, целесообразно увеличить длину

присоединяемой жаропрочной части до полости охлаждения с большим

диаметром и более интенсивным теплоотводом.

В шестой главе представлена разработка конструкции оправки с

развитой полостью охлаждения и водоохлаждаемого прошивного стержня. Из

заводской практики известно, что при прошивке высокохромистых сталей

попадание влаги на внутреннюю поверхность гильзы не желательно, т.к. при

температуре выше 900 °С происходит повышенное окалинообразование на

внутренней поверхности. Также окалина, обладающая более высокой

твердостью, при дальнейшей раскатке гильзы в трубу способствует

повышенному износу инструмента. Использование же оправок без отверстий у

носка резко снижает их срок службы, из-за образования паровой пробки в

узком канале внутреннего охлаждения у головной части. Для сохранения

достаточного теплоотвода целесообразно изменить конфигурацию внутренней

полости для интенсификации охлаждения изнутри. Увеличение диаметра

каналов с несколькими плавными переходами от носка и по всей длине оправки

с соблюдением соотношения 5(т > 0,2-<5„, где 5оп - толщина стенки оправки; 8„ -

диаметр обратного конуса; позволит одновременно повысить скорость

омывания стенок охлаждающей жидкостью с увеличением площади контакта.

Для температурного анализа оправки с измененными условиями

внутреннего охлаждения разработана твердотельная модель на основе

используемой оправки диаметром 98 мм (рисунок 4). При расчете

коэффициенты теплоотдачи (а) для внутреннего охлаждения определялись для

жидкости под давлениемр = 4 атм (405,3 кПа) по формуле

а = 39-А(2"-р0-5. (1)

В результате моделирования установлено, что максимальная температура

на носке незначительно превышает аналогичную на обычной оправке /„ = 957

°С, а тепловое поле сферической части более равномерно, максимальная

температура ее поверхности составляет /Сф — 607 °С. После цикла наружного

охлаждения отмечается смещение разогретой области к поверхности полости,

19

что свидетельствует о недостаточности теплоотвода из-за интенсивного испарения жидкости (пленочного кипения при 1кр = 160 °С), продолжающегося даже в цикле наружного охлаждения.

Рисунок 4 - Твердотельная модель оправки диаметром 98 мм с развитой полостью охлаждения

Для оценки эффективности охлаждения применяя метод конечных объёмов (МКО) для решения уравнения движения текучей среды, реализованный в программном комплексе Flow Simulation. Получены скорости и линии течения охлаждающей жидкости внутри оправки. Из анализа результатов расчета выявлено, что основной поток жидкости, вытекающий из охладительной трубы, не омывает стенки под головной частью, где движение, в основном, осуществляется в радиальном направлении под действием центробежных сил. Вследствие чего вода быстро разогревается и начинает интенсивно кипеть, образуя паровую «подушку», препятствуя охлаждению оправки.

Поэтому для интенсификации внутреннего охлаждения предлагается модернизировать конструкцию стержня и выдвинуть трубку подачи воды к носку оправки на максимальное допустимое расстояние. Так для условий ТПА-140 выдвижение трубки от наконечника возможно на 50 мм без риска её повреждения при установке оправки, а непосредственно в головную часть трубки вмонтировать коническую пробку со смещением относительно оси для разбиения потоков и направленного омывания стенок полости охлаждения, не допуская образования паровой «подушки».

Схема размещения конической пробки в охладительной трубе1 приведена

(И

6

1 Патент РФ №2423194. Зарегистрирован 10.07.2011г.

на рисунке 5. При проведении промышленного эксперимента на ТПА-140 ОАО «СинТЗ» установлено, что при прошивке стали 38Г2СФ на оправке диаметром 98 мм, последняя показала высокую износостойкость (30 проходов против 1-2). После 30 прошивок в промышленных условиях оправка была снята по причине пластической деформации носка. При этом его длина уменьшилась на 65%. На продольном темплете зона сваривания материала оправки и гильзы визуально не просматривается, что свидетельствует о значительном развитии диффузионных процессов, вследствие прогрева объёма носка оправки до высоких температур. Из этого следует, что необходимо увеличить скорость отвода тепла от объёмов металла, примыкающих к носку оправки, так же представляется целесообразным изменение профиля оправки за счет удаления выраженного носка. Кроме того целесообразно увеличить давление (р) в системе до 20 атм. Это позволит повысить теплоотдачу не только за счет увеличения скорости циркуляции жидкости, но и посредством смещения диапазонов интенсивного парообразования в область так называемого пузырчатого режима кипения. Из проведенного исследования теплового состояния, известно, что температура внутренней поверхности, как в цикле прошивки так и при наружном охлаждении в исследуемых условиях составляет 1т = 201 ^ 231 °С, что является диапазоном температур обеспечивающим (выше и = 210 °С при р = 20 атм) интенсивное кипение и перемешивание жидкости и как следствие значительное увеличение коэффициента теплоотдачи.

установленной конической пробкой

На рисунке 6 приведены результаты моделирования движения жидкости при давлении р = 20 атм. Как видно часть потока под действием центробежных сил циркулирует в радиальном направлении под сферическим участком, а другая устремляется в полость под носком, омывая поверхность, вытекает через зазор между трубкой и стержнем не сталкиваясь с первой. Такая конструкция оправки со стержнем позволит значительно повысить эффективность внутреннего охлаждения.

Температурное поле оправки с изменённым профилем наружной поверхности при р = 20 атм приведено на рисунке 7. Отмечается снижение температуры сферической поверхности до 580 °С (точка 4) с её увеличением на поверхности в носовой части (точки 1 я 3) из-за увеличившейся площади контакта с прошиваемым металлом. В контрольных точках в полости охлаждения (точки 2, 5-7) наблюдается плавный рост температуры до критического значения tKp = 230 °С в процессе прошивки и прекращением кипения после 5 с наружного охлаждения. При рассмотрении теплового поля отмечается значительное снижение температуры всего объема оправки.

Исследуемая оправка за счёт увеличения полости охлаждения имеет более тонкие стенки. Для оценки её прочности был произведен расчет возникающих напряжений, учитывающий совместные температурное и силовое нагружение. Из анализа полученных значений термонапряженного состояния

следует, что введение в расчетную схему механической нагрузки, моделирующей воздействие металла на оправку во время прошивки, привело к увеличению интенсивности напряжений в точках 3, 4 на 80-90 МПа. На остальных поверхностях (носок, поверхности полости охлаждения) произошло значительное снижение интенсивности температурных напряжений на 100-300 МПа, так как давление, действующее на оправку со стороны гильзы в процессе прошивки, частично компенсирует возникающие термические напряжения. Таким образом, прочность оправок с утоненными стенками будет обеспечена.

а) после прошивки; б) после охлаждения Рисунок 7 - Температурное поле прошивной водоохлаждаемой оправки с измененным профилем

В седьмой главе с использованием критерия износостойкости представлены результаты разработки компьютерной программы позволяющей прогнозировать срок службы и вероятный вид износа прошивных оправок.

В условиях ОАО «СинТЗ» уставлены основные зависимости срока службы оправок от технологических параметров. Для сравнительной характеристики введен критерий износостойкости - соотношение среднего контактного напряжения на границе металла с оправкой к пределу текучести материала оправки (р / ат). Интенсивный износ оправки посредством пластической деформации наступает, когда критериальное отношение будет больше единицы. При меньших значениях преобладает фрикционный износ, а

■вВЗЕР

Ёрр^

также образование термических трещин.

Для ОАО «СинТЗ» разработана компьютерная программа, позволяющая оценивать износостойкость прошивных оправок, внедренная в Центральной заводской лаборатории. Расчет контактного напряжения и усилия прокатки осуществляется по методике Целикова А.И., истинное сопротивление металла деформации - по эмпирической зависимости, позволяющей вычислять значение а, для широкого диапазона марок сталей по процентному содержанию легирующих элементов. Для задания физико-механических свойств материалов заготовок в расчетах программы весь заводской марочный сортамент сгруппирован на конструкционные углеродистые, низколегированные, легированные, теплоустойчивые стали, в связи со сложностями нахождения информации конкретно по каждой марке.

После расчета энергосиловых параметров сравниваются значения рися стали оправки при заданной температуре. Если имеется вероятность пластической деформации, то, по возможности, осуществляется корректировка технологических параметров, снижающих машинное время прошивки и в тоже время не приводящих к превышению допустимых значений усилий прокатки. На основании анализа расчетных данных, установлено, что наибольшее влияние на время контакта оправки с заготовкой оказывает угол подачи и длина заготовки, скорость вращения валков имеет меньшее воздействие, т.к. с ее увеличением возрастает скольжение. Усилие прокатки в наибольшей степени зависит от марки стали прокатываемой заготовки, характеризуемой сопротивлением деформации металла.

Для количественной оценки износостойкости оправок по проходам можно использовать статистические данные по прошивным станам с подобранными диапазонами изменения соотношений р / ст.

Основные результаты и выводы:

1. Выполнено сравнение двух методов расчета, по результатам которого метод конечных элементов выбран как наиболее приемлемый для получения

тепловых полей водоохлаждаемых оправок.

24

2. Разработана методика определения теплового состояния водоохлаждаемых оправок. Произведен расчет тепловых полей и установлены основные закономерности влияния технологических факторов на уровень температур в объеме водоохлаждаемой прошивной оправки. Выявлены области подверженные наибольшему температурному воздействию, а также пути снижения температуры посредством варьирования технологическими параметрами. На основании промышленных экспериментов установлена адекватность полученных результатов.

3. На основе полученных расчетов теплового поля и внешнего нагружения произведена оценка термонапряженного состояния оправки. Установлены наиболее опасные зоны подверженные воздействию термических напряжений.

4. В результате анализа изменения микроструктуры конструкционной хромоникелевой стали используемой для изготовления прошивных оправок, установлен основной механизм износа - обезуглероживание наружной поверхности и подтвержден эффект термоциклического упрочнения, позволяющий увеличить срок службы оправок при прошивке заготовок из легированных сталей.

5. Установлены особенности теплового и термонапряженного состояния оправок с наплавкой рабочей поверхности и составных с жаропрочным носком, на основании которых выработаны рекомендации по толщине наплавляемого слоя, способу соединения и размерам составляющих частей оправок. Произведено их опытно-промышленное опробование.

6. Проведено комплексное исследование - тепловых, силовых и гидравлических условий работы оправок циркуляционного типа. Выработаны рекомендации по конфигурации наружной и внутренней поверхностей водоохлаждаемых оправок и конструкций стержня, которые позволят улучить условия при прошивке высокохромистых сталей. Получен патент РФ на изобретение № 2423194 от 10.07.2011 г.

7. На основе проведенных исследований разработана компьютерная

25

программа, учитывающая тепловое состояние оправок, материал заготовок, настройки стана, позволяющая прогнозировать износостойкость прошивных оправок. Установлена её адекватность в промышленных условиях ОАО «СинТЗ».

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Особенности износа водоохлаждаемых оправок при прошивке легированных сталей. / Н.М. Вавилкин, B.C. Гончаров, Д.В. Бодров и др. - // Известия ВУЗов. Чёрная Металлургия. - 2009. - №7 - С.37-40.

2. Вавилкин Н.М., Бодров Д.В. Износостойкость прошивных оправок. // Сб. науч. тр. «Прогрессивные технологии ОМД». -М.: ИРИАС, 2009, 600 с.

3. Исследование теплового поля водоохлаждаемой прошивной оправки / Н.М. Вавилкин, А.В. Белевич, Д.В. Бодров и др. - // Известия ВУЗов. Чёрная Металлургия. - 2010. -№3 - С.41-44.

4. Исследование термонапряженного состояния водоохлаждаемых прошивных оправок / Н.М. Вавилкин, А.В. Белевич, Д.В. Бодров и др. - // Известия ВУЗов. Чёрная Металлургия. - 2010. - №9. - С.35-38.

5. Wear of water-cooled mandrels in alloy-steel piercing / N.M. Vavilkin, V.S. Goncharov, D.V. Bodrov and oth. // Steel in translation - 2009. - Vol.39, No.7.

6. Вавилкин H.M., Бодров Д.В. Тепловое и термонапряженное состояние водоохлаждаемых оправок. // Металлы. - 2011. - №1. - С.31-34.

7. Вавилкин Н.М., Бодров Д.В. Исследование теплового и термонапряженного состояний водоохлаждаемых оправок различных конструкций. // Производство проката. - 2011. - №3. - С.12-14.

8. Вавилкин Н.М., Бодров Д.В. Особенности теплового состояния прошивных оправок с развитой полостью охлаждения. // Производство проката. - 2011. -№4. - С.14-17.

9. Vavilkin N.M., Bodrov D.V. Thermal and thermally stressed state of water-cooled mandrels. // Russian Metallurgy (Metally). - 2011. - No. 1 - P.31 -34.

10. Тинигин A.H., Бодров Д.В. Метод расчета температурных полей и термических напряжений в процессах обработки металлов давлением. // Производство проката. - 2011. - №10. - С.2-5.

11. Вавилкин Н.М., Бодров Д.В. Водоохлаждаемая оправка и стержень

прошивного стана. Патент РФ №2423194. 10.07.2011.

26

Заказ № 157-П/04/2012 Подписано в печать 25.04.2012 Тираж 120 экз. Усл. п.л. 1,25

"Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таіІ:іп/о@с/г.ги

Введение.

1 Обзор научно-технической литературы.

1.1 Характеристика условий эксплуатации и износа прошивных оправок

1.2 Сравнительный анализ существующих способов исследования температурных полей технологического инструмента.

1.3 Существующие способы увеличения износостойкости оправок.

2 Исследование теплового состояния водоохлаждаемых прошивных оправок.

2.1 Математическая постановка задачи расчета теплового состояния водоохлаждаемых прошивных оправок.

2.1.1 Выбор краевых условий.

2.1.2 Сравнительный анализ и выбор расчетного метода оценки теплового состояния.

2.2 Исследование теплового состояния водоохлаждаемых оправок.

2.2.1 Методика исследования теплового состояния.

2.2.2 Влияние технологических факторов на тепловое состояние водоохлаждаемых прошивных оправок.

2.2.3 Влияние времени цикла прошивки на тепловое состояние оправок

2.3 Проверка адекватности расчетного теплового поля водоохлаждаемых оправок при прошивке заготовки из стали 20.

2.3.1 Методика проведения промышленного эксперимента.

2.3.2 Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений температуры в характерных точках.

3 Моделирование термонапряженного состояния водоохлаждаемой прошивной оправки.

3.1 Математическая формулировка задачи расчета термических напряжений и алгоритм вычисления.

3.2 Анализ термонапряженного состояния водоохлаждаемой прошивной оправки.

3.3 Влияние времени прошивки на термонапряженное состояние

4 Эффект термоциклического упрочнения и механизм износа водоохлаждаемых оправок.

4.1 Экспериментальное исследование эффекта термоциклического упрочнения материала оправок.

4.1.1 Методика проведения исследования.

4.1.2 Общая характеристика металла для изготовления прошивных оправок.

4.1.3 Краткая характеристика процесса прошивки и условий эксплуатации прошивной водоохлаждаемой оправки.

4.1.4 Краткая характеристика технологии изготовления прошивных водоохлаждаемых оправок.

4.1.5 Исследование микротвердости.

4.1.6 Исследование микроструктуры.

5 Разработка оправок различных конструкций и исследование их теплового и термонапряженного состояния.

5.1 Применение жаропрочного материала для изготовления оправок. /.

5.1.1 Особенности температурного поля.

5.1.2 Выводы по результатам расчета.

5.2 Восстановление изношенных оправок посредством наплавки рабочей поверхности.

5.2.1 Тепловое состояние оправок с наплавкой разной толщины 92 »

5.2.2 Анализ термонапряженного состояния оправок с наплавленным слоем.

5.2.3 Выводы по результатам расчета теплового и i термонапряженного состояния для оправок с наплавкой различной толщины

5.3 Разработка конструкции водоохлаждаемых составных оправок.

5.3.1 Изучение теплового состояния различных вариантов составных оправок.

6 Разработка конструкции оправок с развитой полостью охлаждения и модернизация оправочного стержня.

6.1 Разработка конструкции оправок с развитой полостью t охлаждения и особенности теплового состояния.

6.2 Напряженное состояние оправок с развитой полостью охлаждения.

6.3 Разработка конструкции оправочного стержня и его испытание.

6.4 Совершенствование конструкции оправок с развитой полостью охлаждения.

7 Прогнозирование износостойкости водоохлаждаемых прошивных оправок.¿р.

7.1 Критерий износостойкости и алгоритм прогнозирования.

7.2 Результаты расчета по разработанному алгоритму.

Прошивная оправка является тяжело нагруженным рабочим инструментом прошивных станов поперечно-винтовой прокатки и непосредственно влияет на качество внутренней поверхности гильзы, что в свою очередь определяет качество получаемой трубы. Оправка подвергается циклическому воздействию высоких температур и удельных усилий при прошивке.

Водоохлаждаемые оправки, при некотором усложнении конструкции выходной стороны прошивного стана более эффективны, а их износостойкость вполне удовлетворительна. Однако, при прошивке легированные сталей она резко снижается и в некоторых случаях становится критической. Используемые для изготовления оправок конструкционные инструментальные стали не вполне удовлетворяют более жестким условиям эксплуатации, а известные способы увеличения их износостойкости не всегда эффективны.

Интенсивный износ оправки при прошивке легированных сталей наступает из-за пластической деформации ее носка, когда удельные усилия на контактной поверхности превышают сопротивление деформации материала оправки при температуре, до которой она разогревается. Трещины в виде сеткй- разгара образуются на оправке из-за термических напряжений циклического характера, появляющихся при нагреве во время прошивки и охлаждения, в паузах между проходами. Оплавление рабочей поверхности оправки и налипание металла характерно в основном при прошивке гильз из тугоплавких материалов и нержавеющих сталей.

Таким образом, одним из основных факторов определяющим стойкость оправок является уровень температуры и её распределение по объёму прошивного инструмента.

В связи с вышеизложенным, исследования направленные на увеличение износостойкости прошивных оправок являются весьма актуальной научно-технической задачей, решению которой и посвящена настоящая работа.

Автором выносятся на защиту:

- результаты исследований теплового состояния водоохлаждаемой оправки и результаты расчета;

- результаты расчета термонапряженного состояния водоохлаждаемых прошивных оправок;

- результаты исследования механизма износа оправок изготовленных из конструкционной хромоникелевой стали;

- закономерности теплового и термонапряженного состояния оправок с наплавкой," составных с применением различных жаропрочных материалов и результаты опытно-промышленного опробования;

- конструкцию оправок циркуляционного типа с изменением условий охлаждения, а также конструкцию оправочного стержня;

- алгоритм прогнозирования износостойкости водоохлаждаемых прошивных оправок.

Целью настоящей работы является исследование теплового и термонапряженного состояния водоохлаждаемых оправок при прошивке легированных сталей и разработка на этой основе способов увеличения их износостойкости.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- произвести сравнительный анализ и выбрать рациональный метод расчета температурных полей водоохлаждаемых прошивных оправок;

- определить тепловое и термонапряженное состояние водоохлаждаемых оправок, исследовать влияние на них технологических факторов прошивки и оценить адекватность полученных результатов в промышленных условиях;

- изучить механизм износа водоохлаждаемых оправок из конструкционных хромоникелевых сталей и эффект термоциклического упрочнения; ^

- определить тепловые поля оправок различных конструкций и проверить в промышленных условиях их эффективность;

- предложить конструкцию оправки без выпрыска воды и пара для прошивки высокохромистых сталей;

- разработать методику прогнозирования износостойкости оправок при прошивке углеродистых и легированных сталей и проверить её адекватность. I

Основные выводы *

1. Выполнено сравнение двух методов расчета, по результатам которого метод конечных элементов выбран как наиболее приемлемый для получения тепловых полей водоохлаждаемых оправок.

2. Произведен расчет теплового поля и установлены основные закономерности влияния технологических факторов на уровень температур в объеме водоохлаждаемой прошивной оправки. Выявлены области подверженные наибольшему температурному воздействию - носок и сферическая поверхность. Установлено, что основное воздействие на уровень температур оказывает время контакта заготовки с гильзой. Проанализирована I зависимость снижения температуры посредством варьирования технологическими параметрами. На основании промышленных экспериментов установлена адекватность полученных результатов.

3. На основе полученных параметров теплового поля и внешнего нагружения произведена оценка термонапряженного состояния оправки, областями подтвержденными наибольшему температурному воздействию являются сферическая часть и внутренняя поверхность охлаждения под ней. Также установлено, что со снижением времени контакта заготовки и оправки уровень напряжений уменьшается. I

4. В результате анализа изменения микроструктуры конструкционной хромоникелевой стали используемой для изготовления прошивных оправок, установлен основной механизм износа - обезуглероживание наружной поверхности. Это происходит вследствие попадания в температурный диапазон с интенсивной диффузией углерода при нагреве во время прошивки характерного для хромоникелевых сталей. Подтвержден эффект термоциклического упрочнения, позволяющий увеличить срок службы оправок при прошивке легированных сталей.

5. Установлены особенности теплового и термонапряженного состояния оправок с наплавкой рабочей поверхности и составных с жаропрочным носком. Выработана рекомендация по толщине наплавляемого слоя при восстановлении изношенных оправок, которая должна составлять не менее 4 мм. Произведено опытно-промышленное опробование составной оправки с соединением носка по резьбе. По результатам эксперимента -преждевременного выхода оправки из строя из-за зазоров в резьбовом соединении, рекомендовано производить нарезку резьбы внутри носка для вворачивания основной части. Соединение сваркой трением является наиболее приемлемым вариантом, для более эффективной работы необходимо увеличить длину присоединяемой жаропрочной части.

6. Спроектирована оправка циркуляционного типа, позволяющая проводить прошивку нержавеющих сталей без попадания воды и пара на внутреннюю поверхность. Проведено комплексное исследование - тепловых, силовых и гидравлических условий работы этих оправок, также разработана конструкция прошивного стержня. Обосновано увеличение давление в гидравлической системе до 20 атм, что совместно с предложенной конструкцией стержня позволит интенсифицировать эффективность охлаждения. Выработаны рекомендации по конфигурации наружной и внутренней поверхностей водоохлаждаемых оправок. Получен патент РФ № 2423194.10.07.2011 г.

7. На, основе проведенных исследований разработана комплексная компьютерная программа, учитывающая тепловое состояние оправки, материал заготовки, настройки стана, позволяющая прогнозировать износостойкость прошивных оправок. Имеет практическую значимость для предварительной оценки вида износа и продолжительность срока службы оправок для конкретного вида сортамента и с учетом эффекта термоциклического упрочнения. Установлена её адекватность в промышленных условиях ОАО «СинТЗ».

8. Результаты исследований и рекомендации приняты для использования на ОАО «СинТЗ». *

1. Матвеев Ю.М., Ваткин Я.Д. Калибровка инструмента трубных станов. М.*-Металлургия, 1970,480 с.

2. Хавкин Г.О., Бродский В.М., Лисовая Г.В. Сравнительная характеристика водоохлаждаемых оправок прошивного стана, изготовленных различными способами. / Сталь.- 2004 № 8 - С. 60-62.

3. Боровков А.Н., Светлицкий Е.А. Применение несменяемой оправки на прошивном стане трубопрокатного агрегата 400. / Сталь.-1958.-№ 10. С.926-927.

4. Шапиро И.А., Хавкин Г.О., Бродский В.М. Повышение эффективности использования оправок прошивных станов. / Сталь.-2009.-№9.-С.75-76.

5. Кауфман М.М. Прошивка заготовок с применением водоохлаждаемых оправок. / Сталь.-1958.-№2.С.144-151.

6. Финкелыптейн Я.С., Щеголь Т.С. Повышение стойкости невращающихся оправок прошивных станов. / Сталь.-1957.-№12.-С.1099-1103.

7. Сванидзе Ш.Г. Оправки повышенной стойкости для прошивных станов. / Сталь.-1976-№ 9.-С.-840-841.

8. Прокатка и прессование труб из тугоплавких металлов. / А.П. Коликов, И.Н. Потапов, П.И. Полухин и др. М.: Металлургия, 1979, 240 с.

9. Исследование стойкости технологического инструмента при высокотемпературной винтовой прокатке. / А.П. Коликов, A.B. Крупин, И.Н. Потапов и др. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1976-№5.-С.125.

10. Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин В.Г. Горячая прокатка и прессование труб. -М.: Металлургия. 1972, 576 с.

11. Обработка металлов давлением: Учебник для ВУЗов / Б.А. Романцев, A.B. Гончарук, Н.М. Вавилкин, C.B. Самусев. -М.: МИСиС, 2008, 960 с.

12. Касьян В.Х., Мазур C.B. Влияние температурно-силовых условий деформации на стойкость прошивных оправок. / Металлургическая и горнорудная промышленность.-2003 .-№2.-С.57-61.

13. Тавадзе Ф.Н., Оклей Л.Н., Жамнерашвили Г.В. Исследование распределения температуры в оправке первой прошивки. / Сталь.-1964-№3.-С.252-253.I

14. Вавилкин Н.М., Бухмиров В.В. Прошивная оправка. М.: МИСИС, 2000, 128 с.

15. Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением / Н.И. Яловой, М.А. Тылкин, П.И. Полухин и др. // Учеб. пособие для вузов. М: Высшая школа, 1973, 631 с.

16. Тылкин М.А., Яловой Н.И., Полухин П.И. Температуры и напряжения в деталях металлургического оборудования. М.: Высшая школа, 1970, 428 с. .

17. Температурный режим и напряженное состояние оправок прошивных станов / И.П. Барыкин, A.M. Вашуров, A.A. Федотов и др. // Труды УАИ.-1973 г.-№47.-С.118-122.

18. Баскаков А.П., Толмачев Е.М., Добыш А.Н. Тепловой режим охлаждаемой оправки прошивного стана. / Сталь.-2006-№З.С.55-58.

19. Андреев Е.А. Исследование работы валков и оправок прошивных станов. Автореферат кандидатской диссертации. Днепропетровск, 1972, 182 с.

20. Самигулин Н.С. Разработка и внедрение составных конструкций и рациональных температурных режимов работы дорнов пилигримового стана. Автореферат кандидатской диссертации. Москва, 1983, 169 с.

21. Лыков A.B. Теория теплопроводности.-М.: Высшая школа, 1967, 602с.

22. Владимиров В. С. Уравнения математической физики. — 4-е изд. — М.: Наука, 1981.512 с.

23. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. — 5-е изд. — М.: Наука, 1977. 735 с.

24. Прилепко А.И., Калиниченко Д.Ф. Асимптотические методы и специальные функции. — М.: МИФИ, 1980. 107 с.

25. Polyanin A. D., Manzhirov А. V. Handbook of Integral Equations. CRC Press, Boca Raton, 1998. 796 p.

26. Калиткин H.H. Численные методы.-М.:Наука, 1978. 512 с.

27. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. М.: Металлургия, 1990, 239 сГ

28. Lewis R.W., Nithiarasu P., Seetharamu K.N. Fundamentals of the finite element method for heat and fluid flow. John Wiley Sons Ltd. 2004. 343 p.

29. Зильберг Ю.В. Теория обработки металлов давлением. Монография. Днепропетровск: Пороги, 2009.434 с.

30. Анализ теплового и напряженного состояния оправки при прошивке. / A.B. Белевич, O.K. Матыко, A.C. Алещенко и др. // Известия ВУЗов. Черная металлургия.-2008.-№11.-С.11-14.

31. Манегин Ю.В., Анисимова И.В. Стеклосмазки и защитные покрытия для горячей обработки металлов. М.:Металлургия, 1978. 223 с.

32. Ведякин Н.М., Ячменев А.Н., Михайлова Л.П. Прошивка труб на оправках со смазкой // Сталь.- 1974-№2.-с. 156-159.

33. Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки.- Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1990. 344 с.

34. Тетерин П.К. Теория поперечной и винтовой прокатки. Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1983. 270 с.

35. Процкий Н.Е., Мавродий П.Д. Внедрение охлаждаемых оправок на дисковом прршивном стане // Сталь.-1959-№6-с.546-550.

36. Коликов А.П. Осадчий В.Я., Яралиев Н.Г. Исследование стойкости инструмента прошивных станов. // Известия ВУЗов. Черная металлургия — 1972-№5.-С.94-97.

37. Потапов И.Н., Шаманаев В.И., Соболь A.A. Новая технология получения полых толстостенных заготовок. // Передовой производственный опыт.-1986-№6.-С.6-8.

38. А.с.1340843 СССР, МКИЗ В21 В25/00. Оправка прошивного стана. К.В. Барабадзе, Веремеевич А.Н., Друян В.М. №4050313/31-02

39. Коликов А.П., Крупин A.B., Потапов И.Н. Исследование стойкости технологического инструмента при высокотемпературной винтовой прокатке. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1976-№5.-С.125-128.

40. Садоков Г.М. Повышение стойкости трубопрокатного инструмента // Всесоюзное совещание работников трубной промышленности. Труды-научно-технического общества черной металлургии.-1963-Том ЗЗ-С.159-162.

41. Манегин Ю.В., Лузин Ю.Ф., Мусорина И.Е. Особенности процесса прошивки заготовок в косовалковом стане с применением молибденовыхтоправок. // Производство бесшовных труб.-1973-№2- с. 11-17.

42. Прокатка и прессование труб из тугоплавких металлов. / А.П. Коликов, И.Н. Потапов, П.И. Полухин и др. М.: Металлургия, 1979, 240 с.

43. A.c. 204283 СССР, МКИЗ В21 В25/00. Оправка трубопрокатного стана Манегин Ю.В., Лузин Ю.Ф., Лобашов Б.П. №1099357/22-2

44. Процкий Н.Е. Усовершенствование трубопрокатного инструмента на Южнотрубном заводе // Всесоюзное совещание работников трубной промышленности. Труды научно-технического общества черной металлургии.-1963-том 33-С.163-166.

45. Белошапко М.В., Кармазина Т.Р. Износ оправок при прошивке заготовок из нержавеющих сталей // Днепропетровский металлургический институт. Жеп. В ЦНИИ Черметинформация 21.11.86 №3687.

46. Дубровский И.В., Матлахов Л.И. Расположение оправки и образование плен на трубах // Сталь.-1947-№7-С.626-629.

47. Arpaci V.S. Conduction heat transfer. Addison - Wesley Publishing, 1966, 551 p. **

48. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Справочник. М: Атомиздат, 1979, 216 с.

49. Северденко В.П., Макушок Е.М., Равин А.Н. Окалина при обработке металлов давлением. М: Металлургия, 1977, 208 с.

50. Исследование теплового эффекта при винтовой прокатке. / И.Н. Потапов, Б.А. Романцев, Е.А. Харитонов и др. Пластическая деформация металлов и сплавов. Труды МИСиС, вып. 93. - М.: Металлургия, 1977 - С. 56-59.

51. Зюзин В.И. Труды ВНИИМетмаш Сб.№8 М.: ВНИИМаш, 1963. -С.74-89.

52. Андреюк Л.В., Тюленев Г.Г. Сталь, 1972.-№9.-С.825-828.

53. Тюленев Г.Г., Борисов Ю.А., Кокорина Р.П., Антипов В.Ф. Бюллетень института Черметинформация,1975.-№15.-С.39.

54. Андреюк Л.В., Тюленев Г.Г.,Прицкер Б.С. Сталь, 1972.-№6.-С.522523.

55. Основы проектирования деформирующего инструмента: Учебник для вузов / Д. И. Васильев, М. А. Тылкин, Г. П. Тетерин. М: Высшая школа, 1984, 223 с.

56. Стукач Л.Г. Сталь, 1955.-№7.-С.626-629.

57. Зайков М.А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке. -М.: Металлургиздат, 1960, 302 с.

58. Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания: Справ, пособие. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979, 224 с.

59. Тайц Н.Ю., Кадинова A.C. Теплотехнические основы струйнойзакалки труб. / Сталь.- 1960.-№7.-С.655-657.t

60. Астахов И.Г., Белосевич В.К., Ионов С.М., Лебедев Л.С. Определение коэффициента теплоотдачи прокатных валков при охлаждении водой. // Научные труды МИСиС. М.: Металлургия, 1977, №102.

61. Лабейш В.Г. Жидкостное охлаждение высокотемпературного металла Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1983, 172 с.

62. Михеев М.А. Основы теплопередачи, изд. третье перераб. М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1956, 394 с.

63. Шишков М.М. Марочник сталей и сплавов: Справочник. Изд. 3-е доп. Донецк, 2000, 456 с.

64. Богатов A.A. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002, 329 с.

65. Изготовление полых профилированных заготовок / Б.А. Романцев, И.Н. Потапов, A.B. Гончарук, В.А. Попов. М: НПО «ИнформТЭИ», 1992, 266 с.

66. Постный В.А., Стовченко А.П., Кирсанов Н.В. Исследование качества и эффективности комбинированной послойной наплавки валков. / Сталь. 1994.-№ 10.-С.5 8-60.

67. Ваткин Я. Л., Ваткин Ю. Я. Трубное производство. М.: Металлургия, 1970,512 с.

68. Коваленко А.Д. Основы термоупругости. Киев.: Наукова думка, 1970,308 с.

69. Алямовский A.A. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике. Спб.: БХВ-Петербург, 2008, 1040 с.

70. Kurowski P.M. Engineering Analysis with COSMOSWorks Professional. SDC publications,2006,23 8 p.

71. Development of heat treatment regimes for preparing a fîne-grained structure. / Sazonov, A.A. Komissarov, Yu.V. Smirnova. // Métal Science and heat treatment 2009-vol.5 l-p.223-229.

72. Тылкин M.A. Прочность и износостойкость деталей металлургического оборудования. М.: Металлургия, 1965,347 с.

73. Тылкин М. А. Повышение долговечности деталей металлургического оборудования. М., Металлургия, 1971,608 с.

74. Коррозионные, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справ, изд. / А.П. Шлямлев, Т.В. Свистунова, О.Б. Лапшина и др. М.: «Интермет Инжиниринг». 2000. - 232 с.

75. Повышение износостойкости оправок прошивного стана. / Романцев Б.А., Матыко O.K., Гончарук А.В. и др. // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008.-№ 11.-С. 16—19.

76. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов М.: Машиностроение, 1990. 668 с.

77. Теория прокатки. Справочник. / А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин и др. Jkl.: Металлургия, 1982,335 с.

78. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд. доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. М.: Машиностроение, 2003, 784 с.

79. Стали и сплавы. Марочник: справ, изд. / В.Г. Сорокин, М.А. Гервасьев, B.C. Палеев и др. М.: Интернет Инжиниринг, 2001, 608 с.

80. Механические свойства сталей и сплавов при обработке металлов давлением. Справочник. 2-е изд. / A.B. Третьяков, В.И. Зюзин. М.: Металлургия, 1973, 224 с.

81. Машиностроительные материалы. Карманный справочник. / A.A. Жуков, JI.П.'Лужников, С.Я. Дынкина М.: Машиностроение, 1967, 193 с.

82. Масленников С.Б. Жаропрочные стали и сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1983, 192 с.

83. Бородулин Г.М., Мошкевич Е.И. Нержавеющая сталь. М.: Металлургия, 1973, 320 с.

84. Франценюк И.В., Франценюк Л.И. Современные технологии производства металлопроката на Ново-Липецком металлургическом комбинате. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003, 208 с.