автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Комплексная оценка и повышение прочности металлургического оборудования при тепловом и механическом нагружении

Гончаров Конст

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА И ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ТЕПЛОВОМ И МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (металлургического производства)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

г 4 т 2073

Новокузнецк - 2013

005535928

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Чечулин Юрий Борисович

Официальные оппоненты: Никитин Александр Григорьевич - доктор

технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», заведующий кафедрой сопротивления материалов и строительной механики;

Славин Вячеслав Семенович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», профессор кафедры общетехнических дисциплин;

Раскатов Евгений Юрьевич - доктор технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», профессор кафедры металлургических и роторных машин

Ведущая организация ФГБУН Институт машиноведения УрО РАН

Защита состоится 25 декабря 2013г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д212.252.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, Россия, Кемеровская область, г. Новокузнецк, пр. Кирова, 42 Факс: (3843) 46-57-92.

E-mail: d212_252_04@sibsiu.ru. :

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Автореферат разослан "_"__2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.х.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время износ наиболее активной составляющей части основных производственных фондов в металлургической промышленности близок к семидесяти процентам. Недостаток финансовых средств у большинства металлургических предприятий в девяностые годы прошлого века, а в ряде случаев и должного внимания со стороны их руководства, сопровождался моральным и физическим старением производственных мощностей. В научно-технической литературе имеется большое число публикаций, посвященных вопросам обеспечения надёжности и продления ресурса машин и агрегатов металлургической отрасли. Но эти, в подавляющем большинстве теоретические работы, по мере приближения к производству не находят реального воплощения в силу ряда причин, основными из которых являются:

- отсутствие конкретных предложений со стороны авторов работ, реализованных в виде конструкторской документации, для нового или усовершенствованного варианта конструкции;

- недостаточный с конструкторской точки зрения уровень предлагаемого решения для внедрения в производство;

- недостаточный уровень квалификации персонала для обслуживания современных измерительных, регистрирующих и контролирующих устройств, предназначенных для мониторинга и контроля технологического процесса.

Таким образом, проблема повышения ресурса и долговечности металлургического оборудования может быть решения путём внедрения теоретических разработок, реализованных в виде конструкторской документации, в реальное производство в результате совместной работы производственников и учёных.

Объекты исследования. Плавильный инструмент для плавки титановых сплавов: тигель, холодный под, кристаллизатор, вакуумно-дуговая печь. Технологические процессы плавки титановых сплавов в условиях вакуума с применением электронно-лучевых пушек, плазмотронов, гарнисажных и вакуумно-дуговых печей. Процессы охлаждения плавильного инструмента. Металлургическое оборудование для плавки меди: отражательная печь, конвертер, ковш. Полимербетонная ванна для электролиза никеля. Исполнительный механизм стана холодной прокатки труб. Вал-шестерня привода стана ХПТ-250. Штамп для формовки труб большого диаметра.

Изучаемые явления. Причины крайне низкого ресурса тигля гарнисажной печи. Тепловые процессы и температурные поля в слитке и инструменте. Термонапряжённое состояние и ресурс кристаллизатора для изготовления плоского слитка из титанового сплава. Режимы охлаждения плавильного инструмента. Установление причин разрушения полимербетонной ванны. Определение факторов, оказывающих доминирующее влияние на ресурс несущих колонн отражательной печи. Причины низкого срока службы многорядного роликового подшипника в исполнительном механизме стана холодной прокатки труб. Причины поломки ведущего вала-шестерни в приводе стана ХПТ-250 и рекомендации по ремонту. Причины поломки штампа для формовки труб большого диаметра.

Цель исследования. Разработка научно-обоснованных технико-экономических и технологических решений по увеличению долговечности и повышению технического ресурса металлургического оборудования, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение качества выпускаемой продукции, экономической эффективности и конкурентоспособности предприятий отрасли.

Число научных работ, посвященных исследованию методов решения связанных задач, относящихся к различным разделам математической физики, ограничено. Для прогнозирования ресурса конструкционного элемента большое значение имеет достоверное определение его напряжённо-деформированного состояния (НДС) при термомеханическом нагружении. Результаты решения таких задач с достаточной для принятия ответственного решения точностью необходимы для анализа работоспособности реальных промышленных объектов, поэтому в диссертации ставятся первоочередные задачи исследований:

- разработка математических моделей для решения связанных задач применительно к расчёту прочности и технического ресурса сложных механических систем, находящихся в условиях нелинейного взаимодействия;

- разработка новых технических решений по реализации процессов охлаждения конструкции плавильного оборудования для увеличения технического ресурса;

- разработка достоверных методик расчёта технического ресурса охлаждаемого технологического оборудования при термомеханическом нагружении с учетом фазовых превращений;

- разработка математической модели для моделирования напряжённо-деформированного состояния двух и более контактирующих между собой пространственных конструкций в условиях статического нагружения и конструктивной нелинейности;

- разработка и защита патентами новых технических решений, позволяющих увеличить ресурс и эффективность процесса эксплуатации плавильного оборудования;

- разработка новых конструкционных и технических решений по реализации модернизированного варианта металлургического оборудования с целью его дальнейшей эксплуатации.

Методы исследований. При решении связанной задачи математической физики в диссертации использовались методы термодинамики сплошных сред, функционального анализа, теории дифференциальных уравнений, нелинейной теории упругости и методы компьютерного моделирования.

Научная новизна работы: 1 .Разработана теоретическая база математических моделей для решения связанной задачи математической физики, включающая последовательное решение задачи нестационарной теплопроводности с учётом фазовых переходов для расчёта температурных полей и последующее решение нелинейной краевой задачи теории упругости для расчёта напряжений и деформаций.

2.Установлены основные факторы, влияющие на малоцикловую усталость и потерю несущей способности металлургического оборудования с учётом нелинейной

упругости, реальной геометрии, особенностей конструкции и условий эксплуатации, на основе предложенного расчётно-экспериментального метода.

3.Предложен подход для прогнозирования числа циклов нагружения плавильного оборудования применительно к анализируемым термомеханическим технологическим процессам.

4.Сформулирована проблема и разработан способ решения задач тепломассообмена для конструкции плавильного оборудования в условиях реального процесса плавки.

5.Создан алгоритм поиска рациональной формы плавильного оборудования для обеспечения заданного числа плавок.

6.Разработана математическая модель, учитывающая взаимодействие температурных и механических полей в задачах управления процессом плавки при изменении расхода охлаждающей жидкости или силы тока, что позволяет уменьшить тепловые нагрузки на инструмент.

7. Созданы научно-обоснованные технические и технологические математические модели для расчёта напряженно-деформированного состояния сложных пространственных систем, содержащих контактирующие элементы.

8.Разработан алгоритм и создана модель решения задачи, связанной с обеспечением прочности и жёсткости контактирующих конструкций, при статическом нагружении и конструктивной нелинейности.

9.Разработаны подходы повышения циклической прочности сложной механической системы при термомеханическом нагружении с конкретной реализацией на предприятиях металлургической отрасли.

1 ((.Экономический эффект от внедрения изобретений в корпорации ВСМПО-АВИСМА с 2001по 2003 год составил 3,8894 млн. руб, из них Гончарову К.А принадлежит 33%, в ОАО ЧТПЗ - 3,5 млн. руб„ из них 63% принадлежит автору диссертации. 11. Научная новизна подтверждена 12 патентами РФ.

Достоверность результатов исследований и предложенных способов решения обеспечивается:

1. Использованием в основе разработанной расчетной модели известных положений классических и прикладных наук, таких как физика, математика, термодинамика, теплотехника, теория упругости, теория пластичности, результаты вычислений не противоречат научным основам.

2. Использованием для решения связанной и полу-связанной задачи термонапряженного состояния оборудования надёжного, проверенного практикой, численного метода конечных элементов, реализованного в виде пакетов прикладных программ ANS YS.

3. Сравнением расчётных данных с экспериментальными данными, полученными на эксплуатируемом оборудовании, при этом измерения проведены с использованием приборов с допустимой погрешностью.

4. Проверкой на практике предложенных конструктивных решений в условиях эксплуатации плавильного и металлургического оборудования в разных производственных объединениях.

5.Проведением сравнительной оценки результатов расчёта применительно к аварийным конструкциям и усовершенствованным вариантам металлургического оборудования.

б.Публикацией результатов работы в отечественных и зарубежных научных журналах, выступлениями с докладами на международных и всероссийских научно-технических конференциях различного уровня в США, Германии, Болгарии, Италии, Украине, Белоруссии, Казахстане, на X всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики в Нижнем Новгороде.

Практическое использование результатов:

Результаты расчётов, полученных автором, использованы:

- при проектировании тигля гарнисажной печи ДТВГ - 4ПФ, вакуумно-дуговой печи, плавильного оборудования плазменной печи ROTEK и плавильного инструмента для электронно-лучевой печи на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении;

- при анализе работы отражательной печи, конвертера и транспортировочного ковша в Красноуральском ОАО «Святогор»;

- при анализе причин разрушения электролизной ванны для производства никеля и выдаче рекомендаций по обеспечению надёжной работы остальных ванн подобного типа в Мончегорском АО «Кольская горно-металлургическая компания»;

- при проектировании модернизированного варианта конструкции валковой клети стана холодной прокатки труб ХПТ в АО «Первоуральский новотрубный завод»;

- при проектировании исполнительного механизма стана холодной прокатки труб ХПТ - 250 и штампового инструмента для изготовления труб большого диаметра в АО «Челябинский трубопрокатный завод»;

- при разработке и проектировании модернизированного варианта ведущего вала-шестерни стана холодной прокатки труб в АО «Челябинский трубопрокатный завод».

Использование теоретических и практических результатов в курсовом и дипломном проектировании, а так же в учебных целях по дисциплинам «Динамика и прочность машин» и «Детали машин» позволяет совершенствовать конструкторское мышление и технологическую подготовку будущих специалистов в области проектирования оборудования.

Практическая значимость: 1 .Предложенные способы решения связанных задач механики сплошной среды позволили решать сложные проблемы прочности и повышения работоспособности больших механических систем, являющихся неотъемлемой частью современного металлургического оборудования.

2.Разработанная методика позволила решить ряд задач, требующих достоверного определения напряжённо-деформированного состояния различных пространственных конструкций, подверженных тепловому и механическому нагружению с учётом физической, геометрической и конструкционной нелинейности.

3.Разработанная методика позволила усовершенствовать систему охлаждения конструкции плавильного оборудования, установить причины и выявить области парообразования.

4.Разработанные способы решения позволили определить размеры зон возможного контакта и характер распределения напряжений в них. Предложенный подход можно использовать при проектировании модернизированного варианта конструкции

металлургического оборудования для вычисления напряжённого состояния контактирующих объектов.

5.Применительно к расчёту объектов, находящихся в условиях контактного взаимодействия и конструктивной нелинейности, разработанные способы позволяют определить величину гарантированного зазора или, наоборот, натяга, обеспечивающего приемлемый уровень напряжений и деформаций.

Апробация работы. Тема диссертации удовлетворяет Федеральной целевой программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы". Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях проводимых, как в России, так и за её рубежами (в США, Германии, Болгарии, Италии, Казахстане, Украине, Белоруссии). Материалы диссертации были изложены на всероссийских научно-технических конференциях, проводимых ведущими вузами и проектными организациями в городах: Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Челябинск, Екатеринбург, Нижний Новгород.

На защиту выносятся:

разработка математической модели для решения задач тепломассообмена применительно к различным конструкциям водоохлаждаемого плавильного оборудования и моделирования условий реального процесса плавки;

разработка новых, защищенных патентами РФ, вариантов водоохлаждаемого плавильного оборудования;

подход к решению связанной задачи механики сплошной среды применительно к оценке прочности и прогнозированию технического ресурса сложных пространственных конструкций с учётом физической нелинейности;

способ определения размеров зон контактного взаимодействия и напряжённо-деформированного состояния в этих зонах применительно к пространственным конструкциям, содержащим ряд контактирующих элементов;

расчётная математическая модель для определения деформированного состояния и решения задач прочности пространственных конструкций при контактном взаимодействии и конструктивной нелинейности;

способы конструктивного решения конкретных задач прочности, обусловленных требованиями производственного процесса и функционального назначения.

Представленную диссертационную работу можно характеризовать, как совокупность научно-обоснованных технических и технологических решений по повышению технического ресурса плавильного и металлургического оборудования, совершенствованию способов анализа напряжённо-деформированного состояния сложных механических систем при тепловом и механическом нагружении.

Предложенная математическая модель позволяет управлять процессом плавки в охлаждаемом плавильном инструменте путём варьирования расхода охлаждающей жидкости или силы тока. Полученные результаты расчётов позволяют определять величину гарантированного зазора или натяга, обеспечивающего работоспособность оборудования, включающего в свой состав отдельные сборочные единицы и находящихся в процессе работы в условиях контактного взаимодействия.

Личный вклад автора. В монографии и опубликованных лично автором работах [4,8,12,13,17,30] определены базисные направления исследований, изложена

методика разработки алгоритма и расчетной математической модели, предложены и обоснованы расчетные зависимости и конструкционные решения для проектирования и изготовления охлаждаемого и неохлаждаемого плавильного оборудования. В работе [13] изложена методика поиска технического и технологического решения применительно к модернизации тяжелонагруженного вала-шестерни привода стана ХПТ на основе решения полу-связанной задачи полифизики. В работе [37] приведена методика исследования комплексной проблемы прочности оборудования из анизотропного материала, программа и результаты механических испытаний образцов материала, установлены причины потери несущей способности полимербетонной электролизной ванны.

В работах, опубликованных в соавторстве, диссертантом разработаны алгоритм, математические расчетные модели и программы испытаний, выполнены расчеты, проведен анализ результатов расчетов и их сравнение с экспериментальными данными, предложены технические и технологические решения. При личном участии автора работы проводились промышленные испытания и внедрялись результаты работы.

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография и 50 работ, среди которых 18 статей в рекомендованных ВАК реферируемых научно-технических журналах; получено 12 патентов; сделано 25 докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях различного уровня, по которым опубликованы материалы докладов.

Соответствие диссертации паспорту специальности Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует:

- п.1 « Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии, качества, надёжности, долговечности, промышленной и экологической безопасности»;

п.З «Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их

взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций»;

- п.5 «Разработка научных и методологических основ повышения производительности машин, агрегатов и процессов и оценки их экономической эффективности и ресурса»;

- п.7 «Разработка и повышение эффективности обслуживания, диагностики, ремонтопригодности и технологии ремонта машин и агрегатов в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации и продления ресурса» паспорта специальности 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (Металлургическое производство).

Структура и объем работы: Общий объём диссертационной работы 302 е., включая 129 рисунков. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 218 наименований и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе работы рассмотрено современное состояние методов расчёта напряжённо-деформированного состояния, долговечности и ресурса металлургического оборудования. В качестве объекта исследования определены плавильное оборудование, несущие конструкции отражательной печи, электролизные ванны, прессовое оборудование станов предварительной формовки труб большого диаметра. Большой вклад в разработку отмеченных методов расчёта внесли отечественные учёные А.П. Гусенков, H.A. Махутов, В.В. Москвитин, C.B. Серенсен, В.П. Когаев, P.M. Шнейдерович, А.И. Целиков, JI.B. Коновалов, А.И. Сурков, В.И. Залесский, С.И. Платов,, Д.А. Гохфельд, О.С. Садаков, Ю.Б. Чечулин, О.Ф. Чернявский и зарубежные учёные С. Мэнсон, И.А. Одинг, Д.Калкер, А. Ранкин, Н. Шениктади, X. Сеитоглу. Изучение научных работ и публикаций перечисленных выше авторов позволяет сделать заключение том, что комплексные задачи, связанные с расчётом напряжённо-деформированного состояния металлургического оборудования при термомеханическом нагружении решены недостаточно полно.

Представлена схема моделирования механических отказов металлургического оборудования, на основе которой разрабатывается расчетная математическая модель для оценки напряженного состояния и прогнозирования ресурса.

Комплексный подход к формированию такой модели подразумевает:

- экспериментальное и расчётное определение нагрузок, действующих на оборудование с учётом особенностей конструкции, режимов работы и условий эксплуатации;

- изучение влияния дефектов материала на несущую способность конструкции при длительном действии переменных по времени нагрузок;

- совершенствование имеющихся и разработка новых методов расчёта, диагностики и вычисления гарантированного срока службы конструкций.

Для прогнозирования ресурса конструкционного элемента важное значение имеет достоверное определение его напряжённо-деформированного состояния при термомеханическом нагружении. На этом базисе выполнена постановка задач исследования и разработка новых технических решений.

Во второй главе работы приведена методика расчета ресурса и оценки прочности металлургического оборудования. На рисунке 1 изображен граф, позволяющий представить проблемы, связанные с расчетом ресурса металлургического оборудования при термомеханическом нагружении.

[

Термоыехаиическое ыагружение

I Руорс | | Прочность ]

Температурное поле

ІМеханнческоеІ кагруженне '

|г. аі.>пр.:.».>лио<.^- І Коїістр;. >::ІІГ.Н:ія І

I Граанчаы« 1 > (,юма Зависимость г 0П К) фи ШЧГС КІ1V [Н*П1 от т *мп»рх при

Коппли

Риіішнм

И.ПЧП»

П>ч*іш* илі

Расплав-

к с»о»ч» тверлое тело

«.ихдпп

Рисунок І - К расчету ресурса металлургическою оборудования

Методика расчета усталостного ресурса металлургического оборудования должка соответствовать определенным инженерным требованиям, к числу которых можно отнести:

единство оценки меры повреждений и критериев усталостного разрушения; подход к определению расчетного числа циклов до появления и дальнейшего развития усталостной трещины:

математическую расчетную модель, основанную на экспериментальных данных, полученных в лаборатории или в технической литературе;

возможность выполнения расчетов в детерминированном или полу-вериятносшом виде с учетом данных о квантилях распределения случайных исходных величин.

Для достоверного ответа на вопросы, связанные с обеспечением прочности и определением ресурса метадгургичесюго оборудования, необходумо достаточно точно вычислить его нанряженно-деформированное состояние. При тсрмомсханичсском нагруженин необходимо предварительно определить температурное пате в конструкции оборудования. Это. в свою очередь, требует решения нелинейной задачи теплопроводности. включающей в общем случае и конструктивнук: нелинейность.

Современный уровень развития численных методов позволяет разрабатывать математические модели, позволяющие получить результаты, приемлемые для дальнейшего анализа и исследования. В диссертационной работе для решения поставленной задачи использовался численный метод кснечных элементов, реализованный в виде пакета прикладных программ Достоверность

результатов численных исследований подтверждается применением

математических моделей, адекватных реальным физическим процессам, протекающим в аналн тируемой конструкции оборудования, и нх сравнением с данными натурных экспериментов.

В третьей главе работы приведены результаты решения комплексной проблемы, связанной с повышением ресурса оборудования, подверженного тепловому и механическому кагружению и предназначенного для производства титановых сплавов. В связи с ограниченным объемом реферата, не представляется возможным изложить результаты решения для всех задач, приведенных в лиссеріаиии, полому ниже представлены резулышы вычислений температурных полей, напряжбнно-деформированного состояния и ресурса типія гарннсажной печи, а для другого оборудования в диссертации.

На рисунке 2 изображена развертка в плане гит ля гарннсажной печи, которая располагается в отдельном изолированном производственном помещении, при ном управление процессом плавки дистанционное.

Рисунок 2 - РазвСртка в плане типія гарннсажной печи

В процессе плавления лома в тигле, расплавленный металл имеет возможность находиться в непосредственном контакте с внутренней поверхностью медного тигля.

Опыт эксплуатации гарннсажной печи свидетсльетвуст о том. что наиболее слабым звеном конструкции гарннсажной печи является пп ель, в котором после 26...30 плавок происходило раскрытие стыков между отдельными сборочными единицами, являющимися составными частями типтя. Таной крайне низкий ресурс типтя сопровождался большими экономическими затратами, связанными с регулярными ремонтами деталей его конструкции, поэтому решение проблемы, связанной с

обеспечением надёжной работы печи, а также с устранением причин взрыва является весьма актуальным в условиях реального производства.

К числу основных путей решения проблемы можно отнести следующие:

- обеспечение условий, при которых величина теплового потока, передаваемого на стенки тигля, равняется аналогичной величине потока, отводимого водой системы охлаждения;

- использование теплоносителя, который при взаимодействии с расплавом не приводит к образованию взрывчатого вещества;

- разработка системы управления процессом плавки на основе информации о температурах, позволяющей предотвратить возникновение аварийной ситуации.

Для достоверной оценки напряжённо-деформированного состояния плавильного тигля и его ресурса необходимо предварительно определить температурные поля в конструкции тигля.

Это, в свою очередь, требует решения задачи нестационарной теплопроводности. Применительно к изотропной среде, которой является материал тигля, дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид:

^ = + 0) а

где а2 = —; Г = —; А, - коэффициент теплопроводности меди; р-плотность меди; рС рС

С- удельная теплоёмкость меди; со - плотность источника тепла от расплава внутри конструкции; Т- температурное поле конструкции; V - оператор Лапласа.

Решение нелинейной задачи теплопроводности в условиях реальной плавки является актуальной, поскольку определение температурных полей на основе линейных дифференциальных уравнений теплопроводности в ряде случаев приводит к неудовлетворительным результатам, особенно в тех случаях, когда температура изменяется в широком диапазоне. Для построения математической модели, наиболее близкой к реальному процессу плавки необходимо учитывать зависимость от температуры плотностей тепловых потоков, теплофизических характеристик материалов и возможные структурные и фазовые превращения.

Для однозначного решения уравнения (1) его необходимо дополнить граничными условиями. На внутренней поверхности конструкции тигля формировались граничные условия Неймана

да

где X - коэффициент теплопроводности материала тигля; q - величина интенсивности теплового потока на границе поверхности расплава П; п - нормаль к поверхности О.

На наружной поверхности граничные условия отображают условия теплообмена конструкции с окружающей средой по закону Ньютона или условия конвективного теплообмена

Як = а-(Т„-Тср), (3)

где а - коэффициент конвективного теплообмена на границе среды медь-вакуум;

Т„ - температура наружной поверхности тигля; Тф - температура окружающей тигель

среды; в расчёте полагалось, что Тст,= 30 °С.

С поверхности расплавленного металла происходит излучение тепла в окружающую среду. Процесс излучения описывается известным уравнением Стефана -Больцмана:

Чю„=°с(Т1,4-Тср4). (4)

Здесь ц„1Л - интенсивность теплового потока в результате излучения; е - коэффициент, характеризующий степень черноты расплава; для расплава титана £ = 0,49; Тр - температура

расплава; ст = 5,67-Ю"8_?Е_- постоянная Стефана - Больцмана;

(м2 К4)

На поверхности каналов охлаждения граничные условия отражают условия теплообмена конструкции тигля с охлаждающей жидкостью:

Чо = ав(Тс-Тв), (5)

где ав - коэффициент конвективного теплообмена на границе среды медь-вода; Тс - температура на цилиндрической поверхности канала тигля; Тв — температура охлаждающей тигель воды, измеряется термопарой № 41 на входе в систему охлаждения и термопарой № 42 на выходе из системы охлаждения (Рисунок 2).

Тигель представляет собой пространственную конструкцию, изготовленную из медного сплава. Каждый из элементов конструкции в свою очередь состоит из двух отдельных сборочных единиц. Все отмеченные сборочные единицы соединены в единую конструкцию стальными шпильками. Внутри стенок и дна имеются цилиндрические каналы, предназначенные для охлаждения тигля водой в процессе проведения плавки. Перед началом плавки тигель закрывается герметичным колпаком, из созданного таким образом герметичного объёма с использованием вакуумных насосов откачивается воздух, и в результате чего создаётся разрежение порядка 50 мкм ртутного столба.

На рисунке 3 изображена схема, позволяющая получить представление о процессе плавки титанового сплава в тигле. При подаче постоянного напряжения на электроды, одним из которых является тигель, а другим - гарнисаж, сформированный в тигле после предыдущей плавки, между ними возникает электрическая дуга. Расстояние между тиглем и расходуемым электродом может варьироваться в широком диапазоне посредством механизма подачи, связанного с верхним концом сплавляемого электрода, это позволяет изменять интенсивность теплового потока, передаваемого на расплавленный металл и тигель. В процессе плавления электрода и шихты, находящийся в тигле жидкий расплав соприкасается с элементами конструкции тигля, температура которых значительно ниже температуры плавления металла. Отмеченное соприкосновение сопровождается образованием гарнисажа - слоя застывшего металла, причём толщина гарнисажа изменяется по высоте тигля и имеет максимальное значение в его нижней части.

От расплава тепловой поток через гарнисаж передаётся на стенки и дно тигля. Для оценки величины плотности передаваемого теплового потока использовалось соотношение

где q - плотность теплового потока; X — теплопроводность материала тигля;

ет

—— градиент температур по толщине тигля. дН

Гарнисаж

Рисунок 3 - Схема плавки літаковою сплава в тигле

Тигель Расплав гитана

В стенках и лис тигля расположены термопары, предназначенные для контроля температуры элементов конструкции тнптя и охлаждающей воды при плавке (Рисунок 4). Термопары зачеканеиы на рагпичную глубину и позволяют ретистрировахь температур)' медных іиит. являющихся сборочными единицами типія, в реальном режиме времени в процессе плавки.

2оо Канал охлаждения

М1

в»

і 'I

Е__ж Цл \ ?80-J

Термопара

Рисунок 4 - Схема расположения термопар по толщине плиты

Показания термопар позволяют определить величину іралнента температур на основе приближенного соотношения

дТ д.- ЛГ = Т' " Т->

гА^ДЛ 1-1..

(6)

где Т, - показание і-ой термопары, зачеканенной на глубину 1,.

Градиент температур, определенный из соотношения (6) позволяет с приемлемой для практических рас«»Єтов точностью вычислять шгтенсивность передаваемого теплового потока, поскольку расстояние между термопарами существенно меньше толщины плиты тигля. Термопара №3 расположена ниже оси каналов охлаждения и позволяет определить градиент между наружной поверхностью плиты, температура которой и ¡меряется с использованием контактных термопар или пирометра и точкой расположения термопары.

Однако термолары, расположенные в отдельных точках тигля, не позволяют получить полную информацию о температурных палях во всей конструкции тигля, которые необходимы для опенки прочности и ресурса конструкции тигля.

Аналитических методов решения трехмерных краевых задач теплопроводности со сложной теометрней конструкции в настоящее время не существует, а для тел с простой геометрией их число оіраничено. Для решения нелинейной краевой задачи тегілол роеодиос г и использовался численный метод конечных злеметпов, реализованный в вилс пакета прикладных программ А№У8.

На левом фратлтетгте рисунка 5 изображены картины температурных наїси в дне тигля. На верхней части ттого фрагмента приведено температурное поле на наружной поверхности донной нлиты, на нижней части - температурное поле на внутренней поверхности, находящейся в непосредственном контакте с гарнисажем.

На правом фрагменте рисунка 5 изображены картины температурных нолей в продольном и поперечном сечениях лонных плит пиля. Верхняя часть этого фрат мента рисунка характеризует распределение температур в продольном сечении дна типтя. соответствующем плоскости симметрии.

по «о 600 Ж» 1000 1200 1Ю0 ІШ

Рисунок 5 - Картина температурных полей в лонной плите тигля и распределение температуры в продольном и поперечном сечениях донных плит тигля, °С

и картины перемещений в дне тигля.

а) поверхности равных перемещений при наличии штора между плитами; (!) картина перемещений при отсутствии та тора между плитами Рисунок 6 - Мозаика результирующих перемещений в лонной плите тигля, мм:

■ 34.00 • 69.33 104.66 140.05 ! 175-32 '210.65 245.98

На рисунке 6 изображены итоповерхносги

На нижнем фрагменте рисунка 7,6 изображены кривые, характеризующие изменение эквивалентных по Мизесу напряжений на внутренней 1-1 и наружной II-II поверхности по длине стыка лонных плит. Кривая 1-1 имеет чётко выраженные локальные экстремумы, максимумы в зоне расположения шпилек, минимумы -межлу ними. На кривой II—II наблюдается чётко выраженный максимум эквивалентных напряжений, расположенный в середине стыка.

Результаты расчСта показали, что основной причиной сравнительно низкого ресурса тигля является наличие стыков. Постепенное увеличение зазоров в стыке сопровождается пластическим деформированием боковых поверхностей средних плит, что является крайне нежелательным явлением, поскольку в значительной степени повышается вероятность проникновения расплава металла в зазор и, как следствие, проллавление мели.

На основе анализа полученных расчетных данных было предложено новое конструктивное решенне. Разработанная вновь конструкция тигля, основная идея которой получена на основе решения связанной задачи математической физики, защищена патентом РФ № 2166714 и внедрена на ВСМПО-АВИСМА. Основное отличие предложенной конструкции тигля, изображённой на рисунке 8, от существующей конструкции заключается в следующем:

- отдельные элементы конструкции тигля изготовляются из цельнокатаных медных плит, что позволяет исключить зазоры в стыках:

• существенным образом увеличена площадь охлаждаемой поверхности дна и стенок тигля за счСт выбора канала охлаждения змеевидной формы в плане и его изготовления путем фрезерования, а не сверления, как в исходной конструкции;

- в целях обеспечения герметичности системы охлаждения тигля и технологичности изготовления каналов охлаждения, к миссипион медной плите путСм сварки взрывом присоединяется лист нержавеющей стали 12Х18Н9Т толщиной 10 мм, к которому посредством сварки присоединяются компенсаторы, обеспечивающие замкнутость поперечного сечения канала

«) картина интенсивности напряжений; 6) изменение интенсивности напряжений в поперечном сечении Рисунок 7 - Мозаика интенсивности напряжений в лонных плитах. МПа:

Тигель

Сшть 12Х18Н10Т/ Сварной шов Компенсатор

Рисунок 8 - Конструкция усовершенствованного типы

Вакуумная плавка титанового сплава характеризуется нагревом конструкции тигля до определённой температуры, выдержкой при тгой температуре и последующим остыванием. При этом изменение температурных полей я конструкции ти 171 я сопровождается циклическом нагруженном и изменением его напряжённо-деформированного состояния. Имеете с тем, процесс нагрева и последующего остывания тигля составляет довольно продолжительный отрезок времени, измеряемый несколькими часами, поэтому для опрслслсння ресурса тигля приемлема теория малоцикловои усталости.

Применительно к расчёту числа плавок, теория малоцикловои усталости позволяет учитывать влияние числа циклов температурных нагружений на рост пластических деформаций вплоть до образования трещины.

Соотношение, учшываюшсс рассматриваемый факт, имеет вид

0,5 l.7S-q>

' l(l-V) N]M +F. N

iM с VI*»' v''

где вы- амплитудное значение интенсивности деформаций, наибольшая расчётная величина равна е„ = 0,0183; N - число циклов нагружения: у - коэффициент относительного сужения материала (для меди у = 60% ); Е - модуль упругости материала (для меди Е ■ 115 I lla); ab - предел прочности материала (для меди М1 оь = 260 МПа).

Достоверное знание механических свойств материала плит и величин интенсивности деформаций, полученных расчётным пугём, позволяет определить ресурс конструкции, с приемлемой для дальнейшего анализа гочностью. Для усовершенствованного варианта конструкции тигля максимальное число плавок до проведения ремонта, определённое фафически по кривой малоцикловои усталости, составляет 684 (Рисунок 9). Эта величина ресурса превышает аналогичную величину эксплуатируемого тигля более чем в 20 раз. При осуществлении контроля процесса плавки можно уменьшить величину действующих в конструкции тигля напряжений и увсличшь ресурс ли 978 luiiinuK. Практика эксплуатации усовершенствованного варианта тигля в течение продолжительного отрезка времени подтвердила результаты прогноза ресурса.

Кроме того, на основе полученных результатов расчётов температурных полей в тигле был разработан алгоритм системы управления процессом плавки. Основная идея этого алгоритма заключалась в том, чти но результатам измерения температур

термопарами, расположенными на рагтичном удалении от наружном поверхности плиты (40мм, 90мм н 160мм) в ряде сечений в центральной части плиты, можно определить величину плотности теплового потока в каждый дискретный момент времени и скорость изменения теплового потока по времени.

Л

охни

0.055 0.045

0.015

Рисунок 9 - Кривая малоцикловой усталости меди МI

Решение связанной задачи применительно к исследуемым объектам металлургического оборудования позволило:

• установить, что основной причиной крайне низкого ресурса плавильного тигля является градиент температур и наличие стыков между элементами конструкции;

- сформулировать проблему и разработать подход к решению задач тепломассообмена для конструкции плавильного оборудования в условиях реального процесса плавки;

- определить форму и размер плошали поперечного сечения канала, обеспечивающего предотвращение закипания воды и образование пара в канале охлаждения;

- выбрать рациональное расположение каналов системы охлаждения с целью уменьшения градиентов температур в конструкции;

- выбрать рациональный режим охлаждения, позволяющий оптимизировать потери тела в процессе плавки;

- спрогнозировать число плавок тигля на основе теории малоцикловой усталости:

- достоверность полученных результатов численного расчета подтверждена их близостью к результатам эксперимента применительно к температурным полям в тигле гарнисажной печи. Полученные на основе результатов решения связанной задачи конструктивные предложения защищены 11 патентами Российской Федерации и внедрены в производство в корпорации ВСМПО-АВИСМЛ. Внедрение новой конструкции плавильного тигля позволило более чем в 40 раз увеличит!» его ресурс и устранить текущие плановые ремонты.

В четвертой тлавс приведено исследование проблемы, посвященной термомеханнческому нагружению металлоконструкций с футеровкой. Впервые в расчетной практике решена полу-связанная задача математической физики применительно к конструкции отражательной печи и горизонтального конвертера. Сложность решения такой задачи заключается п наличии п конструкции

теплозащитных элементов, выполненных из огнеупорного материала, и силовых металлических элементов. Математическая расчетная модель, разработанная на основе сочетания имеющихся экспериментальных и теоретических данных и применения численного метода конечных элементов, позволила получить решение полу-связанных -задач полифизикн с учетом нестационарной теплопроводности и

нелинейной термоупругости на примере силового каркаса отражательной печи (Рисунок 10) и оборудования этой печи: гори юнталышго конвертера и транспортировочною ковша. В связи с ограниченным объемом реферата ниже приведены рсзультаїьі решения для силового каркаса печи, а для оборудования этой печи - в диссертации.

Pjjniv.mii

ЛхТКа

свод А

б

а - продольный разрез; б- поперечный разрез Рисунок 10 - Конструкция отражагелышй печи:

Продолжительность работы между капитальными ремонтами отражательной печи для плавки медной шихты на штейн определяется стойкостью кладки, которая помимо свойств огнеупорного материала и условий процесса существенно зависит от нагрузок, вызывающих напряжения сжатия в кладке стен и свода корпуса печи. Значения нагрузок, возникающих в процессе изготовления, сушки, разо1рсва и эксплуатации, в свою очередь, определяются главным образом деформационными характеристиками каркаса фахверка, поддерживающего кладку. Сложность расчешыл оценок долговечности конструкции печи обусловлена нсоОходимосгью изучения и учета влияния высоких температур на деформацию металлоконструкций сложного переменного сечения и, в связи с этим, ограниченными возможностями использования традиционных методов строительной механики. Отмеченные методы ориентированы лишь на учет усредненных значений удлинения составляющих элементов в пренебрежении конфигурацией промежуточных сечений используемых прокатных профилей. Вероятно, этим объясняется отсутствие в технической литературе сформировавшихся методов расчетов каркасов металлургических печей. В процессе эксплуатации отражательных печей установлено искажение формы колони, продольных и подпятовых балок.

На основе вычисленных температурных полей дано решение краевой задачи нелинейной термоуиругости, в которой учитывается взаимодействие температурных и механических полей. Решение задачи позволило выявить факторы, оказывающие доминирующее влияние на ресурс конструкции. На основе выполненных результатов расчетов было предложено новое конструктивное решение в виде шарнирной развязки в месте крепления колонны. Расчеты, выполненные в процессе конструкторской разработки горизонтального конвертера и транспортировочного

ковша, позволили подобрать материал и размеры кирпичей для теплозащитной футеровки, определить напряженное состояние конструкции, сделать вывод о достаточной прочности и ресурсе. Практика эксплуатации рассмотренных объектов металлургическою оборудования в течение длительного отрезка времени реально подтвердила эффективность предложенных конструкционных решений.

В пятой главе приведены результаты исследований для класса конструкций металлургического оборудования, подверженного одновременно тепловому и механическому наїружению. Предложен подход к решению полу-связанной задачи с учетом термоползучести и анизотропии материала. Проведено математическое моделирование процесса иагружения применительно к полимербетонной электролизной ванне (Рисунок II) с последующим анализом причин разрушения двух таких ванн, находящихся в эксплуатации в цехе электролиза никеля металлургического комбината в г. Мончегорске.

Рисунок 11 - Полимсрбетонная электролизная ванна

Ванна представляет собой конструкцию коробчатого типа, имеющую габаритные размеры 8370x1120x1730 мм. Толщина стенки ванны является переменной величиной, изменяющейся в интервале от 90 мм до 115 мм. Ванна является несущей конструкцией, опирающейся на 8 керамических изоляторов, расположенных под торцевыми стенками. Внутри ванны находится сульфат-хлоридный электролит с температурой 65'С и плотностью 1300 кг/м'.

Определение модуля продольной упругости полимербетона. устанавливающего связь между деформациями и напряжениями, проводилось на основе испытаний с использованием тензорезисторов. На боковых гранях образца полимербетона в форме куба с ребром 20 мм были наклеены четыре тензорезистора с базой 5 мм (Рисунок 12,а). На основе информации, полученной по показаниям тензорезисторов. было установлено, что модуль упругости полимербетона является переменной величиной и зависит от величины деформации. Нижняя кривая на рисунке 12,6 построена по показаниям тензорезисторов I и 3. верхняя - по показаниям тензорезисторов 2 и 4, наклеенных на взаимно-противоположных боковых гранях куба.

Кривые деформирования материала, изображенные на рисунке 12,6, свидетельствуют о том. что материал ванны в области рабочих напряжений является физически нелинейным, что учитывалось при проведении расчетов. Решение пату-связанной краевой задачи выполнено численным методом конечных элементов с использованием пакета прикладных программ для ПЭВМ. Зоны контакта ванны с

изоляторами моделировались путем включения в расчетную модель специального контактного элемента.

Тгкэорпнсторы

а - лабораторная установка; 6 - кривые деформирования Рисунок 12 - Определение модуля упругости нолимербстона:

На рисунке 13изображена картина температурных полей в конструкции ванны, которая имеет место через 30 минут после заливки раствора электролита с температурой 65 °С. Видно, что максимальная величина температуры на внутренней поверхности ванны равна 56,7 °С. На верхних торцевых поверхностях и ребрах, расположенных вдоль линии стыка боковых и лонных плит ванны, величина температуры практически не отличается от температуры окружающей среды.

с изоляторами

а - мозаика температурных полей, °С; в • каршна нзгибных напряжений. МПа Рисунок 13 - Результаты расчетов

Информация, приведенная на рисунке 13.6. характерное' распределение изгнбных напряжений в электролизной ванне. При этом пунктирной линией показана исходная форма ванны, сплошной линией деформированная форма ванны.

Проведенные испытания и расчеты с использованием описанного выше подхода позволяет сделать следующие выводы:

- ретультаты испытаний свидетельствуют о довольно широком разбросе напряжений, характеризующих прочность ванны: в этих условиях необходимо выполнять расчет напряженно-деформированного состояния с учетом статистических данных о величинах, определяющих прочность конструкции;

- для прогнозирования ресурса ванны необходимо располагать кривыми, характеризующими длительную прочность материала при рапичных температурах эксплуатации;

• разрушение первой ванны произошло в результате потери несущей

способности материала ванны вследствие релаксации напряжений в условиях ползучести;

- наиболее вероятной причиной падения второй ванны является интенсивный нагрев парами электролита от первой ванны. Отмеченное тепловое нагружение могло привести к изменению температурных полей и к изменению механических характеристик материала. Результаты экспериментов убедительно показали, что в условиях нагружения с задержкой по времени, наблюдается релаксация напряжений, интенсивность этого процесса зависит от величины действующих напряжений.

На основе расчётов было установлено, что увеличение ресурса ванны возможно за счёт снижения действующих в ванне напряжений, что может быть достигнуто путём изменения условий крепления. Предложенные конструктивные решения позволили обеспечить безопасную эксплуатацию электролизной ванны в течение длительного периода времени.

Шестая глава посвящена решению класса контактных нелинейных задач применительно к элементам конструкции с несовпадающими контактными поверхностями при внешнем механическом нагружении. В результате решения конструктивно нелинейной задачи впервые получены закономерности распределения контактных напряжений по числу тел качения и их длине.

Недостаточный межремонтный ресурс и возрастающие требования к точности и качеству выпускаемой продукции на базе тяжелонагруженного прокатного оборудования требуют повышенного внимания к достоверности оценки его напряжённо-деформированного состояния.

Широко распространённый в проектной практике метод оценки работоспособности, основанный на выделении подконструкций в виде отдельных наиболее нагруженных деталей, не позволяет получить достоверную оценку напряжённого состояния. Это объясняется :

Упрощённым, недостаточно обоснованным подходом к выбору расчётной схемы и граничных условий.

Исключением особенностей нестационарного контактного взаимодействия деталей сложных сборочных единиц.

Исключением из рассмотрения в расчётной математической модели физической и геометрической нелинейностей.

Неточностью, а в ряде случаев пренебрежением взаимного влияния элементов сложной конструкции.

Методология решения этих задач включает оценку напряжённого состояния на базе исходной комплексной системы оборудования, выделение причин вероятных отказов, направленный поиск способов их устранения. Решение задач этого класса представлено на примере тяжелонагруженных элементов конструкций станов прокатки труб большого диаметра. Общемашиностроительной проблемой прокатного оборудования является низкая стойкость наиболее нагруженных подшипников рабочих валков. Это объясняется ограниченным соотношением их внутреннего и наружного диаметра при чрезвычайно высоких внешних нагрузках. Поиск рациональных конструктивных решений требует полного учёта контактного взаимодействия связных элементов системы рабочая клеть-прокатный валок-деформируемое изделие. В станах холодной прокатки труб ХПТ-250 в качестве

опорных углов рабочих вал кон нсполыуются бсгунковыс опоры на дорогостоящих многорялных подшипниках качения диаметром 960 мм (Рисунок 14). Однако их стойкость не превышает КЮО часов, это приводит к простою оборудования в период ремонта и большим материальным затратам. Характерной особенностью работы таких подшипников является местный контакт тонкостенных бандажей с опорным рельсом. Этот контакт негативно влияет на распределение контактных напряжений, как по телам качения, так и по длине кальна подшипника. Второй особенностью таких опор является кинематика рабочих валмов. приводящая к тому, что в тоне максимальных нагрузок находится оіраничсннос число одних и тех же тел качения. Многочисленные попытки использования подшипников различного типа, включая разработки новых вариантов, не привели к заметному увеличению их ресурса.

Срок службы крупногабаритного подшипника не превышал двух-трёх недель, а в итоге годовой расход таких подшипников составлял 20-25 штук на один стан.

Стам на Траверс*__

ОПО О

Рабочий елок Кольт, Подштвтннк Фегужовос

Рисунок 14 - Элементы конструкции стана

Такой, крайне низкий ресурс подшипника, приводил к частым, продолжительным н дорогостоящим ремонтам, кроме того, оказывал заметное влияние на низкий ресурс стана. Основной причиной низкого ресурса является циклически изменяющаяся во времени интенсивная технологическая наїрузка на опоры. Прочность подшипника определяется его геометрией, соотношением между диаметрами наружного и

внутреннего молен, формой тел качения, точностью и мотопления н другими факторами.

Для оценки напряжённого состояния валковых опор выбрана комплексная связанная система контактирующих элементов с учётом их объёмной и местной дс(]>ормацни от действия нагрузки на рабочий валок.

Контакт бандажного кольца с траверсой рассмотрим на примере расчётной модели, изображённой на рисунке 15,а. При разработке математической модели особое значение имеет количество умов в зоне возможного контакта. Моделирование каждого ролика расчётной модели сопряжено с сё существенным усложнением, поскольку заметно увеличивается количество узлов. Поэтому при решении контактной задачи использовался только один ролик вместо четырёх, ігри этом его длина равнялась ширине внутреннего кольца, а его диаметр - диаметру исходного ролика.

С целью оценки влияния жёсткости кольца на нагруженне ролика, при выборе расчётной схемы полуширина контактной площадки предварительно определялась по формуле Герца н затем утраивалась с целью возможности учёта неравномерности размеров этой зоны по длине ролика.

Ролик Рабочий валок

а - к вопросу разработки расчётной модели исполнительного механизма стана;

6 к вопросу разработки расчетной модели подшипника качения Рисунок 15 - Разработка расчётной математической модели:

Для оценки влияния числа узлов конечно-элементной модели на достоверность результатов решения контактной задачи, полученного на основе предложенного подхода, предварительно была решена тестовая задача, для которой имеется аналитическое решение. Рассматривался контакт двух стальных цилиндров длиной 200 мм с радиусами И, - 25 мм и Иг = 50 мм, изображённых на рисунке 16.

а Схема расположения цилиндров; б - Мозаика контактных напряжений, МПа Рисунок 16 - Контактное взаимодействие двух цилиндров

При этом полагалось, что нижний цилиндр с большим лиамеїром неподвижен, а на верхнюю половину цилиндрической поверхности цилиндра с меньшим радиусом действует равномерное лавление величиной р. которое используется в формуле Герца для вычисления контактных напряжений, причем 4 М. » р О(.

Величина контактных напряжений применительно к плоской задаче теории упругости определяется на основе соотношения, вытекающего из классической теории контакта Герца

При q =100 Н мм, Е - 200 ITIa. v = 0.3 характеризующая контактное взаимодействие двух цилиндров с параллельными осями величина напряжения, вычисленная по формуле (8), равна о„ 458 МПа. Мозаика контактных напряжений в нижнем ролике и трафик изменения этих напряжений по его длине изображена на рисунке 16. 6.

805 1

1622 710

оп<

111 98 4 186 7 2739 3613 448 6 5348 622 1 і 710.4 1 805.1

(8)

Анализ полученного решения контакт! ой задачи свидетельствует о гом, что на горцах ролика имеют место четко тыраженные максимумы контактных напряжений, их величина равна 805.1 МНа. В средней части ролика график параллелен продольной оси ролика, а величина контактного напряжения равна 464 МНа. Сравнение этой величины с аналитическим значением, полученным по формуле Герца (8). свидетельствует об их незначительном отличии. Этот факт позволяет сделать вывод о приемлемости выбранной расчетной модели для решения контактной задачи. Существенное отличие контактных напряжений на торцах ролика от теоретической величины обусловлено тем, что реальные цилиндры имеют конечную длину. Поэтому на горнах в области расположения площадки контакта возникает концентрация контактных напряжений.

На изображена картина эквивалентных напряжений Мизсса в подшипнике. Информация, представленная на рисунке 11,а свидетельствует о том. что

наибольшие напряжения имеют место во всех контактных зонах, в то время как все остальные области подшипника раскрашены в один или два соседних цвета, соответствующих интервалу эквивалентных напряжений Мизсса 0,3... 122.1 МНа на цветовой шкале. Максимальная величина напряжений равна 548.6 МПа и наблюдается на кромке наружного кольца подшипника в зоне контакта с роликом. Наиболее натруженными являются два ролика, расположенные в непосредственной близости к вертикальной плоскости симметрии по обе стороны от нее (Рисунок 17.6). Справа от подшипника изображен график, характеризующий распределение эквивалентных напряжений по длине наиболее натруженною ролика. График имеет четко выраженный нелинейный характер, на правом торце ролика величина наибольших напряжений равна 548,6 МПа, а на противоположном торце 47,4 МПа.

В результате моделирования вновь предложенного варианта установлено, что конструкция карегкн позволяет ей свободно самоустанавливаться под действием контактной нагрузки, и. тем самым, обеспечить равномерное распределение давлений между опорными валками каждой пары н исключить нежелательный эффект смещения оси одного опорною вал<а относительно нормали к опорной поверхности рельса при реверсном движении кассеты. Отмеченный факт способствует дополнительному повышению точности размеров прокатываехтых труб, об этом свидетельствует мозаика перемещений в валковой клети (Рисунок 18,6). Разработанная конструкция исполните.'ытого механизма защищена патентом Российской Федерации № 2189881 и внедрена на ОАО ЧТПЗ. Внедрение новой

а - в подшипнике качения; 5- в роликах подшипника Рисунок 17 - Мозаика эквивалентных напряжений Мизсса, МПа:

конструкции позволило многократно увеличить ресурс механизма и повысить точность изготовления трубы.

Моделирование на основе предложенной математической модели применительно к решению конструктивно нелинейной задачи теории упругости позволило установить, что основной причиной разрушения подшипника качения является интенсивная циклически изменяющаяся технологическая нагрузка на

а - конструкция усовершенствованного варианта: б - мозаика перемещений Рисунок 18 - Модернизированный вариант конструкции исполнительного

механизма

опоры. Изменение жСсткости бе1унковой опоры нс даСт желаемо!« результата, а приводит лишь к сравнительно небольшому увеличению долговечности. Поэтому основная идея предлагаемого bhobi варианта конструкции исполнительного устройства стана ХПТ-250 заключалась в исключении подшипников качения из валковой клети и замене их дополнительной кареткой с двумя параллельными опорными валками, расположенными между шейкой рабочего валка и опорным рельсом (Рисунок I8.il)-

В седьмой главе предложена комплексная оценка НДС класса нелинейных задач с "блуждающим" контактом номинально совпадающих поверхностей сопряженных элементов конструкции. На базе этого подхода исследована группа оборудования с крупногабаритными контактирующими деталями штампового инструмента. В качестве такого решения приведена конструктивно нелинейная задача применительно к расчету напряжен но-деформированного состояния деталей исполнительного механизма вертикального гидравлического пресса усилием 200 МН для формовки труб большого диаметра (до 1220 мм) (Рисунок 19).

Комплексное исследование НДС системы "заготовка-вкладыш-штамподержатсль" позволило установить основную причину отказов, связанную с выбором зазоров между боковыми стенками вкладышей и ложемента штамподержателя. Определенные в результате расчета рациональные величины зазоров позволили обеспечить условия сборки и многократно уменьшить количество поломок дорогостоящего сменного инструме1гга. Кроме того, была предложена новая конструкция штампового инструмента, исключающая вероятность íto поломок (Патент РФ № 2189881).

Штамп содержит две идентичных части, верхняя совершает возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении, а нижняя неподвижна В процессе деформирования сечение заготовки трубы превращается из U-обраэного в кольцевое. При этом на вкладыши и штамподержатедн действует внешняя нагрузка, приводящая к изменению их размеров к формы.

-О 08? -001Т 0.054 0 125 0 196 0267 0Ш 0 409 0 480 0 551

Рисунок 19 - Поперечное сечение штампа

Штамподержатель представляет собой довольно протяжённую конструкцию, состоящую ит двух одинаковых частей длиной шесть метров, соединенных между собой посредством болтов в вертикальной плоскости стыка.

Между вертикальными поверхностями вкладыша и штамполержателя существует гарантированный зазор Д (Рисунок 19), который может выбираться в процессе деформирования заготовки. После выбора за^юра происходит контактное взаимодействие вкладыша и штамполержателя по вертикальным поверхностям. Это вызывает существенное изменение напряженно-деформированного состояния и вкладыша, и штамполержателя. что необходимо учитывать в расчетной модели.

Па нижнем фратаентс рисунка 20.6 изображено распределение эквивалентных напряжений в поперечном сечении штамподержателя. при этом пунктирной линией изображена исходная форма сечения. Видно, что наибольшие эквивалентные

а - во вкла.'|ышс; 6 - в штамподсржатслс Рисунок 20 - Картина эквивалентных напряжений Мизеса, МГ1а

напряжения наблюдаются в сравнительно узкой области, расположенной в зоне сочленения ребра жесткости и горизонтальной плоскости, их максимальная величина равна 281,22 МПа и незначительно превышает величину предела текучести стали ЗОЛ, равную 260 МПа.

В )а км ючен и и содержат ся результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении к диссертации приведены информационные материалы, полученные в результате вычислений и экспериментов и дополняющие содержание пяти

глав, с третьей по седьмую, а также акты внедрения результатов работы в корпорации ВСМПО-АВИСМА и ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».

Выполненная работа является комплексным исследованием, включающим в свой состав новые экспериментальные, теоретические и научные результаты, относящиеся к совершенствованию эксплуатируемого и разработке нового металлургического оборудования на основе анализа напряжённого состояния и прогнозирования ресурса при малоцикловой усталости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе экспериментальной информации о температурах в отдельных областях тигля разработана математическая расчётная модель для вычисления температурных полей в конструкции тигля гарнисажной печи. Предложена новая конструкция тигля, позволяющая многократно увеличить его ресурс на основе применения цельнокатаных плит и изменения конфигурации каналов охлаждения.

2. Полученные результаты решения задач тепломассообмена для конструкции плавильного оборудования позволили определить форму и размер площади поперечного сечения канала, обеспечивающего предотвращение закипания воды и образование пара в канале охлаждения.

3. На основе выполненных вариантных расчётов установлено, что предложенная математическая модель, учитывающая взаимодействие температурных и механических полей в задачах управления процессом плавки при изменении расхода охлаждающей жидкости или силы тока, позволяет уменьшить градиенты температур в конструкции плавильного инструмента и существенно снизить величину действующих напряжений.

4. Предложенная расчётно-экспериментальная модель решения нелинейной краевой задачи позволила установить основные факторы, влияющие на малоцикловую усталость и потерю несущей способности металлургического оборудования с учётом нелинейной упругости, реальной геометрии, особенностей конструкции и условий эксплуатации.

5. Впервые в расчётной практике решена связанная задача математической физики применительно к конструкции отражательной печи и горизонтального конвертера. Решение задачи позволило выявить факторы, оказывающие доминирующее влияние на работоспособность конструкции и сформировать конструктивные предложения по совершенствованию силового каркаса отражательной печи.

6. Предложенная математическая модель численного расчёта на основе пакета прикладных программ для расчета напряжённо-деформированного состояния плавильного оборудования, показала высокую эффективность для различных классов нелинейных статических задач теплопроводности с учетом фазовых переходов, гидродинамики, упругости и термоупругости.

7. Решение конструктивно-нелинейной контактной задачи позволило установить причины низкого ресурса многорядного роликового подшипника в исполнительном механизме стана холодной прокатки труб. Предложенная новая конструкция механизма позволила многократно увеличить его работоспособность и точность изготовления трубы.

8. Решение контактной задачи нелинейной термоупругости позволило установить причины поломки ведущего вала-шестерни привода стана ХПТ-250 на

ОАО ЧТПЗ и разработать конструктивные предложения и рекомендации по его модернизации.

9. Численное моделирование задачи, связанной с обеспечением прочности и жёсткости контактирующих конструкций, при статическом нагружении и конструктивной нелинейности позволило выяснить причины разрушения штампового инструмента и предложить модернизированный вариант конструкции.

10. Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 7,4 млн. рублей в ценах 2000-2003 годов, доля автора в нем ~3,5 млн. рублей.

Основные положения диссертации изложены в опубликованных работах:

Монография: Гончаров, К.А. Прочность и ресурс металлургического оборудования при термомеханическом нагружении / К.А. Гончаров. - Екатеринбург: УрФУ. 2012.200 с.

Периодические научные и научно-технические издания, рекомендованные ВАК для публикации основных результатов докторских диссертаций

1. Goncharov Konstantin A. Strength and resource of the melting tool under thermomechanical loading./ Konstantin A. Goncharov , Yury B. Chechulin. // International Journal of Mechanics. - Volume 2. Issue 2.- P.121-128.

2. Goncharov Konstantin A. Stress state of a tool for stamping tubes / Konstantin A. Goncharov, Yuri B. Chechulin // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods and Technologies.- V. 5/1. - P. 212-221.

3. Goncharov Konstantin A. Stress-strain state of mill for cold rolling of tubes / Konstantin A. Goncharov, Yuri B. Chechulin // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods and Technologies. - V. 5/1. - P. 222-229.

4.Goncharov, K.A. Stress-strain state and safe life of the crucible of a skull furnace under thermomechanical loading / K.A. Goncharov // Metallurgist. - V. 54. Issue 11. - P. 852-858

5. Goncharov, K.A. Improved shaping of the blank for welded Large-Diameter pipe / Y.B. Chechulin, A.O. Kichka, K.A. Goncharov // Steel in Translation.- V. 41. Issue 10. October 2011,-P. 849-851.

6. Goncharov, K.A. Increase of the life of the stamping tool for forming large-diameter welded pipes / A.A. Fedorov, K.A. Goncharov, Y.B. Chechulin// Steel in Translation.-V. 30. December 2000.- P. 40-43.

7. Goncharov, K.A. Stress-strain state and safe life of the crucible of a skull furnace under thermomechanical loading. / K.A. Goncharov// Режим доступа: http://www.springerlink.com/content/?k=K.A. Goncharov.

8. Гончаров, K.A. Напряжённо-деформированное состояние и ресурс тигля гарнисажной печи при термомеханическом нагружении / К.А. Гончаров // Металлург,- 2010,- №12,- С.63-67.

9. Напряжённо-деформирование состояние четырехвалковых клетей станов холодной прокатки труб / К.А. Гончаров, [и др.] // Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия. -1995. - № 6. - С. 37-40.

10. Гончаров, К. А. Определение температурных полей и напряжённого состояния тигля гарнисажной печи / К. А. Гончаров, И.Г. Емельянов, С.А. Тимашев // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 1999. - №2.- С.65-69.

И. Гончаров, К.А. Повышение ресурса штампового инструмента для формовки сварных труб большого диаметра / А.А. Федоров, К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин // Сталь. - 2000. - № 12. - С.41-44.

12. Гончаров, К.А. Термонапряжённое состояние ковша для транспортировки штейна / К.А. Гончаров // Вестник ЧГУ. - 2011. - №2,- С.12-16.

13. Гончаров, К.А. Исследование напряжённого состояния ремонтного варианта вала-шестерни стана холодной прокатки труб/ К.А. Гончаров//Справочник. Инж. журнал.-2011. -№6,- С.38-42.

14. Гончаров, К.А. Моделирование напряжённо-деформированного состояния штампа для формовки труб большого диаметра / К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2011,- №7. - С.33-38.

15. Гончаров, К.А. Термонапряжённое состояние участка трубопровода при воздействии солнечной радиации / В.Р. Сатаев, А.А. Поляков, К.А. Гончаров // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. --2010,- № 2.- С. 80-84.

16. Гончаров, К.А. Напряжённо-деформированное состояние деталей конструкции стана холодной прокатки труб / К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин // Вестник Нижегородского университета.- 2011. - №4. - Ч. 4,- С.1451-1453.

17. Гончаров, К.А. Термонапряжённое состояние и ресурс кристаллизатора для плоского слитка / К.А. Гончаров // Вестник ЧГУ. - 2011. - №4. - т.1,- С. 9-14.

18. Гончаров, К. А. Совершенствование схемы формовки заготовки для сварки труб большого диаметра / Ю. Б. Чечулин, А. О. Кичка, К.А. Гончаров // Сталь. -2011.-№10.- С. 38-40.

Материалы и тезисы докладов Между н ар од 11 ы х и Российских конференций

19. Goncharov, К.А. Thermo-Stressed State of the Melting Tool / K.A. Goncharov, Y.B. Chechulin // Proceedings of 9th WSEAS International conference on Heat and Mass Transfer.- Harvard, Cambridge, USA.- 2012. - P. 88-93.

20. Goncharov, K.A. The strength calculation of tube rolling equipment / K.A. Goncharov// Abstracts of the first international zholdasbekov symposium .- Almaty.-2011,- P.132-133.

21. Goncharov, K.A. Using finite element method for the strength calculation of tube rolling equipment. / K.A. Goncharov, A.A. Fedorov, Y.B. Chechulin // Proceedings of 18th CAD-FEM Users' Meeting 2000. Internationale FEM-Technologietage. -Friedrichshafen. Lake Constance, Germany. - P. 323-326.

22. Goncharov Konstantin. Stress state of a tool for stamping tubes / Konstantin Goncharov, Yuri Chechulin // Proceedings of 13th International Symposium "Materials, methods and technologies". -Sunny Beach. Bulgaria.- 2011,- P. 212-221.

23. Goncharov Konstantin. Stress-strain state of mill for cold rolling of tubes / Konstantin Goncharov, Yuri Chechulin // Proceedings of 13th International Symposium "Materials, methods and technologies".- Sunny Beach. Bulgaria.- 2011. - P. 222-229.

24. Гончаров, К. А. Моделирование напряжённо-деформированного состояния мультипликатора давления / К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин. Моделирование нелинейных процессов и систем. Дополнение к сборнику тезисов второй международной научной конференции,- Москва: СТАНКИН. - 2011. - С. 5-6. ISBN 978-5-8037-0525-3.

25. Гончаров, К. А. Напряжённо-деформированное состояние трубы при воздействии низких температур / В.Р. Сатаев, К.А. Гончаров, A.A. Поляков // Сборник научных трудов IV Белорусского конгресса по теоретической и прикладной механике. «Механика-2009» .- Минск,- 2009. - С. 343-347.

26. Гончаров, К.А. Пути повышения долговечности штампового инструмента для формовки прямошовных сварных труб большого диаметра / Ю.Б. Чечулин, A.A. Фёдоров, К.А. Гончаров, A.M. Каузов.// Труды II международной научно-технической конференции «На передовых рубежах науки и инженерного творчества». - Екатеринбург: УГТУ-УПИ. -2000,- С. 358-360.

27. Гончаров, К.А. Анализ напряжённо-деформированного состояния при окончательной формовке одношовных труб большого диаметра с использованием UOE-процесса / Ю.Б. Чечулин, А.О. Кичка, К.А. Гончаров // Труды международной научно-технической конференции " Трубы-2010". Ч.И.- Челябинск.-2010. - С. 223225.

28. Гончаров, К.А. Аналитический этап подготовки ремонта / Ю.Б. Чечулин, К.А. Гончаров// Материалы 13 международной научно-технической конференции "Материалы и технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано-до макроуровня". 4.1. - Санкт-Петербург. - 2011. - С. 262-265.

29. К вопросу о диагностике конструкций трубопрокатных станов / К.А. Гончаров, [и др.] // Материалы VI международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века»: сб. статей. - Пенза,- 2008,- С. 74-77.

30. Гончаров, К.А. Расчёт термонапряжённого состояния холодного пода плазменно-дуговой печи/ К.А. Гончаров // X Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция «Механики - XXI веку»: сб. докл.-Братск: БрГУ,- 2011. - С. 5-15.

31. Гончаров, К. А. Совершенствование процесса окончательной формовки одношовных сварных труб большого диаметра при использовании дополнительного деформирующего инструмента / Ю.Б. Чечулин, А.О. Кичка, К.А. Гончаров // Труды IX Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии»,- Санкт-Петербург.- 2011. - С.262-265.

32. Гончаров, К.А. Моделирование контактного взаимодействия деталей конструкции стана холодной прокатки труб / К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин // Тезисы докладов шестой международной научно-практической конференции "Математическое и имитационное моделирование систем. МОДС 2011". - Украина, Чернигов,- 2011.- С.53-56.

33. Гончаров, К.А. Термонапряжённое состояние трубы при низкотемпературном воздействии /К.А. Гончаров, А.А Поляков, В.Р. Сатаев //Материалы 5-й международной научно-технической конференции "Информатизация формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и Систем искусственного интеллекта ". - Вологда: ВоГТУ,- 2009. - С. 72-77.

34. Гончаров, К.А. Компьютерное моделирование для визуальной демонстрации процессов деформирования / К.А. Гончаров, О.С. Ковалев, A.A. Поляков // Новые образовательные технологии в вузе: сб. матер, пятой международной научно-методической конференции. Ч. 1. - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ,- 2008. - С. 193-199.

35. Гончаров, К.А. Математическая модель для расчёта напряжённо-деформированного состояния трубы из полиэтилена / A.A. Поляков, К.А. Гончаров, Ар.А. Поляков, И.К. Гончаров // Материалы XII международной научно-технической конференции "Проблемы строительного комплекса России". Т. 2.-Уфа.-2008.-С. 61-63.

36. Гончаров, К.А. Использование полиэтиленовых труб в строительстве трубопроводов / A.A. Поляков, К.А. Гончаров, Ар.А. Поляков, И.К. Гончаров // Материалы XII международной научно-технической конференции. " Проблемы строительного комплекса России". Т. 2. - Уфа,- 2008. - С. 59-61.

37. Гончаров, К.А. Моделирование напряжённого состояния полимербетонной электролизной ванны /К.А. Гончаров // Доклады 2-ой Всероссийской конференции "Проблемы оптимального проектирования сооружений",- Новосибирск. - 2011. -С.93-99.

38. Гончаров, К.А. Напряжённое состояние полимербетонных электролизных ванн / A.A. Поляков, К.А. Гончаров, Ар.А. Поляков, И.К. Гончаров // Материалы V Всероссийской конференции "Механика микронеоднородных материалов и разрушение". - Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН,- 2008. - ISBN 5-7691-1942-Х.

39. Гончаров, К.А. Расчет ресурса трубы из полиэтилена низкого давления / A.A. Поляков, К.А. Гончаров, Ар.А. Поляков, И.К. Гончаров // Материалы V Всероссийской конференции "Механика микронеоднородных материалов и разрушение". - Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН,- 2008. - ISBN 5-7691-1942-Х.

40. Гончаров, К.А. Исследование напряжённого состояния листовой заготовки при изготовлении труб большого диаметра. / К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин // Труды Всероссийской научной конференции "Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB".- М.: ИПУ РАН,- 2002. - С. 221-226. - ISBN 5-20114940-5

41. Гончаров, К.А. Исследование напряжённого состояния листовой заготовки при изготовлении труб большого диаметра. / К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB». - М: MATLAB, 2002. - С.61-62.

42. Goncharov, К.A. Algorithm to Find Technical Solutions for the Modernization of the Cold Rolling Mill of Large Diameter Pipes/ K.A. Goncharov, Y.B. Chechulin //Proceedings of 13th International Conference on Applied Mathematics and Computational Methods (AMCM '13).- Venice, Italy.- 2013. - P. 64-68.

Другие издания

43. Гончаров, К.А. Напряжённо-деформированное состояние корпуса конвертера/ К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин // Межвузовский сборник научных трудов "Теория машин металлургического и горного оборудования".- Екатеринбург: УГТУ-УПИ. -2000. - С. 65-70.

44. Расширение параметров процессов, инструмента и оборудования для производства электросварных прямошовных труб большого диаметра / К.А. Гончаров [и др.] //Сборник научных трудов "Конструирование и технология изготовления машин", 4.2. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ,-

2005. - С.278-284.

45. Гончаров, К.А. Расчёт термонапряжённого состояния тигля гарнисажной печи /К.А. Гончаров // Сборник научных трудов «Строительство и образование». -Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ,- 2006,- №11. - С.62-64.

46. Гончаров, К. А. Напряжённо-деформированное состояние корпуса конвертера./ К.А. Гончаров // Строительная механика пластин и оболочек..- Екатеринбург: УГТУ-УПИ,-2000. - С. 31-35.

47. Гончаров, К. А. Исследование термонапряжённого состояния тигля гарнисажной печи / К.А. Гончаров, И.Г. Емельянов // Строительная механика пластин и оболочек, сб. статей. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ,- 2000. - С.26-30.

48. Гончаров, К. А. Экспериментальное определение механических свойств полимербетона / A.A. Поляков, К.А. Гончаров, Ар.А. Поляков, И.К. Гончаров // Сборник научных трудов «Строительство и образование»,- Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ,- 2008. - №13. - С.53-59.

49. Гончаров, К. А. Напряжённо-деформированное состояние полимербетонной электролизной ванны / A.A. Поляков, К.А. Гончаров, Ар.А. Поляков, И.К. Гончаров. Сборник научных трудов «Строительство и образование». - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. -2008,- №13. - С.60-67.

50. Гончаров, К.А. Аналитический этап подготовки ремонта / К.А. Гончаров, Ю.Б. Чечулин // Журнал «Станочный парк»,- №8. - 2011. - С.22 -25.

Патенты

51. Пат. 2166714 Российская Федерация, МПК F27B 14/10, F27B 3/08, С22В 9/21. Плавильный водоохлаждаемый тигель / П.С. Альтман, К.А. Гончаров, B.C. Фомичев (РФ), № 2000115057/02; заявл. 09.06.00; опубл.10.05.01, Бюл. № 6. - 7с.

52. Пат. 2194934 Российская Федерация, МПК С22В 9/21. Плавильный водоохлаждаемый тигель / П.С. Альтман, B.C.Фомичев, К.А. Гончаров (РФ).№ 2001120114/02; заявл. 18.07.01; опубл. 20.12.02, Бюл. № 14. - 11с.

53. Пат. 2194780 Российская Федерация, МПК С22В 9/21,F27B 14/10.Вакуумная дуговая гарнисажная печь / B.C. Фомичёв, К.А. Гончаров (РФ). № 2001113392/02; заявл.15.05.01; опубл. 20.12.02, Бюл. № 14. - 11с.

54. Пат. 2208651 Российская Федерация, МПК С22В 9/21, F27B14/04. Вакуумная дуговая печь / П.С. Альтман, B.C. Фомичёв, К.А. Гончаров [и др.] (РФ). № 2001131027/02; заявл. 16.11.01; опубл. 20.07.03, Бюл. № 8. - 9с.

55. Пат. № 2228962 Российская Федерация, МПК С22В 9/21. Вакуумная плавильная печь с холодным подом./ П.С Альтман., B.C. Фомичёв, К.А. Гончаров (РФ). № 2002121808/02; заявл. 07.08.02; опубл. 20.05.04, Бюл. № 9. - 7с.

56. Пат. № 2244030 Российская Федерация, МПК С22В 9/21. Вакуумная дуговая печь. / П.С. Альтман, B.C. Фомичёв, A.A. Попов, К.А. Гончаров (РФ). № 2003116954/02; заявл. 06.06.03; опубл. 10.01.05, Бюл. № 1. -Зс.

57. Пат. № 2189881 Российская Федерация, МПК B21D 5/10. Штамповый инструмент для прессования труб большого диаметра. / Ю.Б. Чечулин, К.А. Гончаров, И.А. Романцов [и др]. (РФ). № 2000102064/02; заявл. 26.01. 00; опубл. 27.09.02, Бюл. № 11.-8с.

58. Пат. 2231725 Российская Федерация, МПК F27B3/04, F27B3/06. Холодный под плавильной печи / П.С. Альтман, B.C. Фомичев, К.А. Гончаров (РФ). № 2002118740/02; заявл. 12.07.02; опубл. 27.02.04, Бюл. № 2. - 6с.

59. Пат. 2194232 Российская Федерация, МПК F27B14/10, С22В9/22. Плавильный тигель / П.С. Альтман, B.C. Фомичёв, К.А. Гончаров (РФ). № 2001103812/02; заявл.09.02.01; опубл. 10.12.02.

60. Пат. 2226222 Российская Федерация, МПК С22В9/21, F27B14/08. Плавильный инструмент / П.С. Альтман, B.C. Фомичёв, К.А. Гончаров(РФ). №2002122041/02;заявл. 12.08.02; опубл.27.03.04, Бюл. № 3. - 8с.

61. Пат. 2283355 Российская Федерация, МПК С22В 9/21 .Вакуумная дуговая гарнисажная печь. / П.С. Альтман [и др.] (РФ). № 2004124635/02; заявл. 12.08.2004; опубл. 10.02.06, Бюл. № 25 - 9с.

62. Пат. 2323985 Российская Федерация, МПК С22В 9/20. Способ плавления слитков в вакуумной дуговой печи/ П.С. Альтман, К.А. Гончаров. (РФ). № 2006113237/02;заявл. 19.04.2006; опубл. 10.11.07, Бюл. № 13.-11с.

Подписано в печать: 24.09.2013 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Цифровая печать. Усл. печ. л. 2. Уч. изд. л. 1,62. Тираж 120 экз. Заказ 55.

Отпечатано в учебной лаборатории полиграфических машин кафедры "Детали машин" УрФУ, ауд. И-120 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б.Н.ЕЛЫДИНА»

О520Н50465 На правах рукши

Гончаров Константин Алексеевич

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА И ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ТЕПЛОВОМ И МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (металлургического производства)

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Чечулин Юрий Борисович

Екатеринбург - 2013

Л

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................6

Глава 1. Аналитический обзор технического состояния металлургического оборудования и постановка задачи исследования .............................................16

Глава 2. Методика расчёта технического ресурса и прочности металлургического оборудования..........................................................................34

2.1 .Заключение по второй главе............................................................................45

Глава 3. Комплексная оценка прочности и технического ресурса оборудования для плавки титановых сплавов....................................................47

3.1. Тигель гарнисажной печи ...............................................................................47

3.1.1. Анализ и расчёт теплового потока, передаваемого на стенки тигля......49

3.1.2. Анализ системы охлаждения тишя......................................................................55

3.1.3. Определение температурных полей в тигле ............................................56

3.1.4.Расчёт напряжённо-деформированного состояния тигля.................................67

3.1.5.Напряжённо-деформированное состояние модернизированного тигля .87 3.1 .б.Расчёт ресурса тишя на основе теории малоцикловой усталости.................93

3.2. Холодный под плазменной печи ROTEK.......................................................96

3.2.1. Постановка задачи исследования .............................................................98

3.2.2. Расчёт температурных полей................................................................................99

3.2.3. Расчёт напряжённо-деформированного состояния конструкции холодного пода...................................................................................................107

3.2.4. Термонапряжённое состояние плавильного пода............................................108

3.3. Кристаллизатор для плоского слитка..........................................................113

3.3.1. Расчёт температурных полей в изложнице............................................115

3.3.2. Расчёт напряжённо-деформированного состояния

кристаллизатора..............................................................................................................120

3.3.3. Расчёт ресурса кристаллизатора на основе теории малоцикловой усталости............................................................................................................122

3.4. Цилиндрическая изложница .........................................................................124

3.4.1. Расчёт плотности теплового потока.......................................................126

3.4.2. Разработка расчётной модели температурных полей в изложнице...............129

3.4.3. Расчёт температурных полей в изложнице........................................................134

3.4.4. Расчёт напряжённо-деформированного состояния изложницы .................137

3.4.5. Расчёт температурных полей и напряжённого состояния изложницы

с винтовыми каналами охлаждения.................................................................141

3.5. Плавильный инструмент...............................................................................146

3.5.1. Описание конструкции.........................................................................................147

3.5.2. Разработка математической модели расчёта температурных полей.............148

3.5.3. Расчёт температурных полей...............................................................................152

3.5.4. Расчёт напряжённого состояния плавильного инструмента..........................155

3.5.5. Расчёт ресурса плавильного инструмента.........................................................160

3.6. Заключение по третьей главе.......................................................................................162

Глава 4. Комплексное исследование проблемы термомеханического нагружения металлоконструкций с футеровкой...............................................164

4.1. Отражательная печь....................................................................................................164

4.1.1. Особенности каркаса отражательных печей......................................................165

4.1.2. Каркас передней стены..........................................................................................170

4.1.3. Отклонения размеров элементов конструкции печи от исходных.................172

4.1.4. Выбор и обоснование расчётной модели силового каркаса печи..................175

4.1.5. Расчёт температурных полей в кирпичной кладке, своде и колоннах отражательной печи.........................................................................................................177

4.1.6. Напряжённо-деформированное состояние колонн и свода от действия температурных полей.............................................................................................................182

4.1.7. Расчёт напряжённо-деформированного состояниям металлоконструкций отражательной печи с учётом распорного усилия от свода печи....................................184

4.1.8. Предложения по увеличению ресурса отражательной печи...........................195

4.2. Конвертер горизонтального типа..............................................................................196

4.2.1. Расчёт температурных полей в конвертере........................................................198

4.2.2. Напряжённо-деформированное состояние оболочки конвертера..................200

4.3. Ковш для транспортировки штейна.........................................................................205

4.3.1. Конструкция ковша................................................................................................205

4.3.2. Расчёт температурных полей в ковше................................................................206

4.3.3. Напряжённо-деформированное состояние обечайки ковша......................

4.4. Заключение по четвёртой гпаве............................................................................

Глава 5. Комплексная оценка прочности оборудования из анизотропного материала при термомеханическом нагружении ...................................................

5.1. Испытания образцов материала ванны...............................................................

5.1.1. Испытания образцов на растяжение..............................................................

5.1.2. Испытания образцов на изгиб.........................................................................

5.1.3. Испытания образцов на раскалывание..........................................................

5.1.4. Испытания образцов на сжатие......................................................................

5.2. Испытания с целью определения модуля упругости полимербетона............

5.3. Испытания образцов полимербетона с выдержкой по времени.....................

5.4. Испытание образцов полимербетона для оценки влияния электролита на прочность материала................................................................................................

5.5. Расчёт температурных полей в электролизной ванне.......................................

5.6. Расчёт напряжённо-деформированного состояния конструкции электролизной ванны....................................................................................................

5.7. Результаты обследования электролизных ванн.................................................

5.8.3аключение по пятой главе....................................................................................

Глава 6.Комплексное исследование проблемы контактного взаимодействия элементов оборудования с несовпадающими поверхностями.............................

6.1. Актуальность проблемы повышения долговечности оборудования для производства холоднодеформируемых труб большого диаметра........................

6.2. Исследование напряжённо - деформированного состояния исполнительного механизма стана XI11 с неподвижной станиной......................

6.3. Разработка исполнительного устройства для повышения ресурса стана холодной прокатки труб................................................................................................

6.3.1.Исследование напряжённо-деформированного состояния исполнительного устройства нового варианта рабочей клети стана XI11.............................................

6.4. Исследование напряжённого состояния ремонтного варианта вала-шестерни стана холодной прокатки труб..........................................................................................

6.4.1. Расчётное обоснование сборной конструкции вала-шестерни и определение

необходимого натяга........................................................................................................271

6.4.2. Расчёт температурных полей составной конструкции

вала-шесгерни...................................................................................................................273

6.4.3. Расчёт напряжённо-деформированного состояния составной конструкции вала-шестерни...................................................................................................................276

6.5. Заключение по шестой главе.....................................................................................281

Глава 7. Комплексная оценка прочности класса нелинейных задач с переменной областью контакта номинально совпадающих поверхностей................................282

7.1. Исследование НДС состояния листовой заготовки и элементов конструкции

исполнительного устройства пресса формовки труб большого диаметра................283

7.2. Исследование напряжённо-деформированного состояния вкладыша...............288

7.3. Исследование напряжённо-деформированного состояния нового варианта

конструкции штамповош инструмента..........................................................................293

7.4. Заключение по седьмой главе....................................................................................299

Заключение.............................................................................................................................301

Литература..............................................................................................................................303

Приложение 1.........................................................................................................................324

Приложение 2.........................................................................................................................332

Приложение 3.........................................................................................................................339

Приложение 4.........................................................................................................................345

Приложение 5.........................................................................................................................349

Приложение 6.........................................................................................................................351

Введение

Актуальность проблемы. В настоящее время износ наиболее активной составляющей части основных производственных фондов в металлургической промышленности близок к семидесяти процентам. Недостаток финансовых средств у большинства металлургических предприятий в девяностые годы прошлого века, а в ряде случаев и должного внимания со стороны их руководства, сопровождался моральным и физическим старением производственных мощностей. В научно-технической литературе имеется большое число публикаций, посвящённых вопросам обеспечения надёжности и продления ресурса машин и агрегатов металлургической отрасли. Но эти, в подавляющем большинстве теоретические работы, по мере приближения к производству не находят реального воплощения в силу ряда причин, основными из которых являются:

- отсутствие конкретных предложений со стороны авторов работ, реализованных в виде конструкторской документации, для нового или усовершенствованного варианта конструкции;

- недостаточный с конструкторской точки зрения уровень предлагаемого решения для внедрения в производство;

- недостаточный уровень квалификации персонала для обслуживания современных измерительных, регистрирующих и контролирующих устройств, предназначенных для мониторинга и контроля технологического процесса.

Таким образом, проблема повышения ресурса и долговечности металлургического оборудования может быть решения путём внедрения теоретических разработок, реализованных в виде конструкторской документации, в реальное производство в результате совместной работы производственников и учёных.

Объекты исследования. Плавильный инструмент для плавки титановых сплавов: тигель, холодный под, кристаллизатор, вакуумно-дуговая печь.

Технологические процессы плавки титановых сплавов в условиях вакуума с применением электронно-лучевых пушек, плазмотронов, гарнисажных и вакуумно-дуговых печей. Процессы охлаждения плавильного инструмента. Металлургическое оборудование для плавки меди: отражательная печь, конвертер, ковш. Полимербетонная ванна для электролиза никеля. Исполнительный механизм стана холодной прокатки труб. Вал-шестерня привода стана ХПТ-250. Штамп для формовки труб большого диаметра.

Изучаемые явления. Причины крайне низкого ресурса тигля гарнисажной печи. Тепловые процессы и температурные поля в слитке и инструменте. Термонапряжённое состояние и ресурс кристаллизатора для изготовления плоского слитка из титанового сплава. Режимы охлаждения плавильного инструмента. Установление причин разрушения полимербетонной ванны. Определение факторов, оказывающих доминирующее влияние на ресурс несущих колонн отражательной печи. Причины низкого срока службы многорядного роликового подшипника в исполнительном механизме стана холодной прокатки труб. Причины поломки ведущего вала-шестерни в приводе стана ХПТ-250 и рекомендации по ремонту. Причины поломки штампа для формовки труб большого диаметра.

Цель исследования. Разработка научно-обоснованных технико-экономических и технологических решений по увеличению долговечности и повышению технического ресурса металлургического оборудования, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение качества выпускаемой продукции, экономической эффективности и конкурентоспособности предприятий отрасли.

Число научных работ, посвящённых исследованию методов решения связанных задач, относящихся к различным разделам математической физики, ограничено. Для прогнозирования ресурса конструкционного элемента большое значение имеет достоверное определение его напряжённо-деформированного состояния (НДС) при термомеханическом нагружении. Результаты решения таких задач с достаточной для принятия ответственного решения точностью

необходимы для анализа работоспособности реальных промышленных объектов, поэтому в диссертации ставятся первоочередные задачи исследований:

- разработка математических моделей для решения связанных задач применительно к расчёту прочности и технического ресурса сложных механических систем, находящихся в условиях нелинейного взаимодействия;

- разработка новых технических решений по реализации процессов охлаждения конструкции плавильного оборудования для увеличения технического ресурса;

- разработка достоверных методик расчёта технического ресурса охлаждаемого технологического оборудования при термомеханическом нагружении с учетом фазовых превращений;

- разработка математической модели для моделирования напряжённо-деформированного состояния двух и более контактирующих между собой пространственных конструкций в условиях статического нагружения и конструктивной нелинейности;

- разработка и защита патентами новых технических решений, позволяющих увеличить ресурс и эффективность процесса эксплуатации плавильного оборудования;

- разработка новых конструкционных и технических решений по реализации модернизированного варианта металлургического оборудования с целью его дальнейшей эксплуатации.

Методы исследований. При решении связанной задачи математической физики в диссертации использовались методы термодинамики сплошных сред, функционального анализа, теории дифференциальных уравнений, нелинейной теории упругости и методы компьютерного моделирования.

Научная новизна работы: 1.Разработана теоретическая база математических моделей для решения связанной задачи математической физики, включающая последовательное решение задачи нестационарной теплопроводности с учётом фазовых переходов

для расчёта температурных полей и последующее решение нелинейной краевой задачи теории упругости для расчёта напряжений и деформаций.

2.Установлены основные факторы, влияющие на малоцикловую усталость и потерю несущей способности металлургического оборудования с учётом нелинейной упругости, реальной геометрии, особенностей конструкции и условий эксплуатации, на основе предложенного расчётно-экспериментального метода.

3.Предложен подход для прогнозирования числа циклов нагружения плавильного оборудования применительно к анализируемым термомеханическим технологическим процессам.

4.Сформулирована проблема и разработан способ решения задач тепломассообмена для конструкции плавильного оборудования в условиях реального процесса плавки.

5.Создан алгоритм поиска рациональной формы плавильного оборудования для обеспечения заданного числа плавок.

6.Разработана математическая модель, учитывающая взаимодействие температурных и механических полей в задачах управления процессом плавки при изменении расхода охлаждающей жидкости или силы тока, что позволяет уменьшить тепловые нагрузки на инструмент.

7. Созданы научно-обоснованные технические и технологические математические модели для расчёта напряженно-деформированного состояния сложных пространственных систем, содержащих контактирующие элементы.

8.Разработан алгоритм и создана модель решения задачи, связанной с обеспечением прочности и жёсткости контактирующих конструкций, при статическом нагружении и конструктивной нелинейности.

9.Разработаны подходы повышения циклической прочности сложной механической системы при термомеханическом нагружении с конкретной реализацией на предприятиях металлургической отрасли.

Ю.Экономический эффект от внедрения изобретений в корпорации ВСМПО-АВИСМА с 2001по 2003 год составил 3,8894 млн. руб, из них Гончарову К.А

принадлежит 33%,