автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии волочения сталемедной проволоки с защитным фторопластовым покрытием на основе критериальной оценки устойчивости процесса

ВВЕДЕНИЕ.

1. НЕОБХОДИМОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОЛИТЕТРАФТОР-ЭТИЛЕНОВОГО ПОКРЫТИЯ НА БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРОВОЛОКЕ КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ.

1Л. Анализ основных повреждений БСМ проводов контактных сетей при эксплуатации.

1.2. Оценка способов нанесения защитных фторопластовых покрытий на многослойную проволоку различного функционального назначения

1.3. Анализ теоретических моделей оценки устойчивости процессов волочения слоистых материалов.

1.4. Постановка цели и задач исследований.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ БЕЗДЕФЕКТНОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ ПРОВОЛОКИ.

2.1. Выбор и обоснование критерия устойчивости процесса волочения п-слойной композиции.

2.2. Математическое описание деформации п-компонентных систем при волочении.

2.2.1. Выбор системы уравнений для описания деформации объема внешнего слоя в волоке.

2.2.2. Моделирование деформации промежуточных слоев в волоке.

2.2.3. Математическое описание деформации сердечника в волоке.

2.3. Постановка задачи оценки устойчивости процесса волочения п-слойных композиций.

2.4. Адаптация задачи к процессу волочения стальной проволоки с

ПМ-покрытием.

2.4.1. Постановка задачи.

2.4.2. Алгоритм решения задачи.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

3.1. Методика и оборудование для проведения пластометрических испытаний.

3.2. Результаты экспериментальных исследований на сжатие ПТФЭ образцов.

3.3. Статистическая обработка результатов эксперимента и вывод уравнения состояния политетрафторэтилена.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ С ПМ-ПОКРЫТИЕМ.

4.1. Оценка уровня внеконтактных сдвигаюпщх напряжений на межслойных границах с позиции условия устойчивости.

4.2. Комплексное влияние параметров волочения на уровень наиболее опасных внеконтактных напряжений сдвига.

4.3. Методика определения границ области устойчивого волочения сталь-медь-полимерной проволоки.

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БСМ ПРОВОЛОКИ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ (БСМП ПРОВОЛОКИ) ДЛЯ КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ.

5.1. Улучшение эксплуатационных свойств сталемедной проволоки при её плакировании политетрафторэтиленом.

5.2. Проектирование рациональных маршрутов волочения бездефектной БСМП проволоки.

5.2.1. Технологическая схема с нанесением ПТФЭ слоя перед последним переходом без изменения маршрутов волочения.

5.2.2. Схема маршрзпгов волочения с максимальным числом переходов БСМП проволоки.

5.2.3. Проектирование режимов волочения БСМП проволоки при замене части медной оболочки полимером.

5.3. Промышленное опробование технологии получения БСМП проволоки и технико-экономический анализ её производства

Потребности современной техники и развитие новых технологий диктуют необходимость создания композиционных материалов с самыми разнообразными свойствами, которые во многих случаях не могут быть достигнуты применением отдельных металлов, сплавов, полимеров, керамики и т.д. При этом создание композиций путем объединения нескольких, порой разнородных, материалов в единую структуру, позволяет получать совершенно новый комплекс эксплуатационных свойств, который существенно отличается от свойств его составляющих.

В настоящее время широкое применение в различных областях техники находят слоистые металлические композиционные материалы, в частности, биметаллы. Их использование позволяет достигать не только качественно новых свойств изделий, но и существенной экономии дорогостоящих цветных металлов, входящих в композиции. В связи с этим изыскание новых областей рациональной замены изделий из цветных металлов (или с применением таковых) на изделия, изготовленные из слоистых композиционных материалов с целью экономии сырья с одновременным увеличением эксплуатационных показателей продукции, является актуальной задачей, как для производителя, так и для её многочисленных потребителей.

Особое место среди пшрокого спектра биметаллической продукции занимают сталемедные композиции, в частности биметаллическая сталемедная проволока (БСМ проволока). Это связано с ее широким использованием (сотни тысяч тонн в год) в кабельной промышленности, ВПК, электросетях энергосистем страны, и особенно, в контактных сетях железных дорог общего, подъездного и городского назначения. Под контактной сетью понимают комплекс устройств для передачи электрического тока от тяговой подстанции к подвижному составу [1]. Значительный объем данного вида продукции и жестБсие эксплуатационные требования, предъявляемые к ней, определяют актуальность совершенствования технологического процесса производства БСМ про:волоки, а также создание принципиально новых композиций с более высокими эксплуатационными показателями,, в частности, с высокой стойкостью против разного рода коррозии, обледенения и др.

В настоящее время вопросам повышения качества биметаллической проволоки и разработке новых её технологий посвящено достаточно много теоретических и экспериментальных исследований. В трудах Аркулиса Г.Э., Стеблянко В.Л., Карокозова Э.С., Арефьева Б.А., Рябкова В.М. и их учеников рассмотрены основополагаюпще вопросы поведения бинарных систем в очаге деформации, установлены критерии их устойчивости, разработано большое многообразие технологических процессов производства различных биметалллических изделий. В работах Чукина М.В., Кузнецова Е.И., Барышникова М.П. описаны варианты технологических процессов совместного волочения сталь-полимерной проволоки, разработаны модели поведения таких композиций в очаге деформации, доказана целесообразность их использования для повышения коррозионной стойкости.

Однако вне внимания ученых остается вопрос повышения надежности, в частности эксплуатационной стойкости, собственно биметаллических изделий. Очевидной причиной разрушения элементов контактных сетей из БСМ проволоки является коррозия медной оболочки. При огромных её потребностях повышение стойкости сталемедных проводов, например за счет нанесения защитных антикоррозионных покрытий, становится важной народнохозяйственной задачей.

В связи с вышеизложенным в плане продолжения исследований, проводимых на кафедре ММТ МГТУ, целью данной работы является создание сталемедной проволоки с антикоррозионным покрытием из политетрафторэтилена, а также разработка технологических схем для её производства.

Для достижения указанной цели в работе рассматривается следующий комплекс вопросов:

- разработка математической модели оценки устойчивости процесса волочения многослойной системы в очаге деформации на основе предложенного критерия;

- проведение экспериментальных исследований для описания реологических свойств политетрафторэтилена и вывод его уравнения состояния;

- теоретическая оценка комплексного влияния параметров волочения на внеконтактные напряжения сдвига слоев композиции и устойчивость процесса волочения;

- разработка методики проектирования маршрзггов волочения бездефектной сталь-медь-полимерной проволоки (БСМП-проволоки);

- оценка технико-экономической целесообразности использования БСМП проволоки в промышленности.

Решению каждой задачи посвящена соответствующая глава диссертации.

Главным результатом работы является проектирование на основе обобщения результатов теоретических исследований трех вариантов технологических маршрутов волочения для производства сталь-медь-полимерной проволоки в условиях промышленного предприятия «СММ-Профит».

Работа выполнена на кафедре «Металлургических и машиностроительных технологий» Магнитогорского государственного технического зшиверситета им. Г.И. Носова. Часть экспериментальных исследований проведена в лаборатории кафедры ОМД ЮУГУ г. Челябинска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных теоретических и экспериментаньных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Разработана математическая модель оценки устойчивости процесса волочения многослойных композиций по предложенному и обоснованному критерию:

- в основу модели заложено совместное решение совокупностей систем уравнений статического равновесия условий пластичности, уравнений состояния, условий устойчивости компонентов слоистой системы, а также геометрических соотношений и граничных условий;

- модель адаптирована к процессу волочения сталь-медь-полимерной композиции;

- в качестве критерия устойчивости предложено условие ограничения максимальных внеконтактных напряжений сдвига слоев на межслойных границах уровнем предельных значений сопротивления деформации наиболее мягкой компоненты.

2. На основе пластометрических испытаний установлены уравнения состояния политетрафторэтилена для скоростей деформаций, применяемых при волочении:

- анализ кривых упрочнения в диапазонах исследуемых скоростей позволил представить ПТФЭ как упруго-пластическую среду с нелинейным упрочнением.

3. На основе теоретических исследований по модели установлено влияние геометрических и технологических параметров на устойчивость процесса волочения:

- однозначно определена наиболее опасная зона возникновения дефектов сталь-медь-полимерной композиции - внеконтактная область точек на границе медь-полимер на выходе из очага деформации;

136

- разработан ряд типовых номограмм, отражающих комплексное влияние на уровень наиболее опасных внеконтактных напряжений основных параметров волочения;

- разработана оригинальная методика проектирования рациональных маршрутов волочения бездефектной сталь-медь-полимерной проволоки на основе предложенного критерия устойчивости.

4. На её основе спроектированы три варианта организации технологических маршрутов волочения БСМП проволоки, а именно: с формированием ПТФЭ покрытия перед последним переходом базового БСМ маршрута, с максимальным числом БСМП переходов и схема с заменой части медного покрытия оболочки политетрафторэтиленом. доказана технико-экономическая целесообразность применения разработанных технологических схем получения БСМП проволоки в условиях действующего предприятия «СММ-Профит». Ожидаемый годовой эффект от использования одной из технологических схем составляет не менее 9 млн.руб/год.

1. Политехнический словарь. / Под ред. Артоболевский И.И., М. «Советская энциклопедия», 1974. 608 с.

2. Гороппсов Ю. И., Бондарев Н. А. Контактная сеть. М.: Транспорт, 1981.-462 с.

3. Фрайфельд А.В., Марков А.С. Тюрнин Г.А. Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети. М.; Транспорт, 1974. 416 с.

4. Rhines F.N. Trans Am.Inst. Mining Met. Engrs, 1947, v 147, C. 205-230

5. Tronstad L., Veimo R. bst J., "Metals", 1940, v. 66, № 17, C. 32-35.

6. Кнастер М.Б. О механизме коррозии с кислородной деполяризацией // Защита металлов. Ан СССР, 1967, т. 3, №3, С. 43-45 .

7. Vemon W.H. J. Trans, of Faraday society, 1924, v. 19, C. 875.

8. Vemon W.H. J. Trans, of Faraday society, 1927, v. 23, C. 113-185.

9. Vemon W.H. J. Trans, ofFaraday Society, 1931, v. 27, C. 255-264.

10. Vemon W.H. J. Trans, of Faraday Society, 1933, v. 29, С 35,64.

11. Vemon W.H. J, Trans, of Faraday Society, 1935, v. 31, C. 168.

12. Калиш M.K. Естественные защитные пленки на медных сплавах. Изд-во «Металлургия », 1971.- 200 с.

13. Ейльман Л.С., Кнастер М.Б. Защита проводов и кабелей от коррозии. М., «Энергия», 1972. 176 с.

14. Политетрафторэтилен в кабельной промышленности ВНИИЭМ / Кранихфельд Л.И., Кунегин B.C., Рекун Н.Ф., Рождова Е.Ф. М., 1965. -215с.

15. Bowden F. Р., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. Oxford. Part 1, 1950.-112 c.

16. Горяинова A.B., Божков Г.К., Тихонова M.C., Фторопласты в машиностроении. М., «Машиностроение», 1971. -233 с.

17. Патент Англии № 887666,1962 г.18. "Ram extruder for P.T.F.E. wire covering". International Plastics Engineerings. 1963, vol. 3,№5, C. 186.

18. Вробель В. Физико-химические и механические проблемы, связанные со шприцеванием политетрафторэтилена. // Переработка полимеров.: Сборник переводов / Под ред. Р. В. Тареева, М. Л., 1964. С. 45-51.

19. Frieser Kreger. Plastverarbeiter. "Herstellung, Eigenschaftenverarbeitung und Anwendung von Polyfluorocarbonen", 1963, № 3, C. 154 156.

20. De Young, Snel ling. The Extrusion oi Teflon tetrafluoroethylene Resin for wire insulation. // Wire and Wire Products, 1957, vol. 32, №7, C. 785 786.

21. Никифоров Б.А., Харитонов В.Л. Защитные и специальные покрытия метизов: Учебное пособие. Свердловск: изд. УПИ 1984. - 96 с.

22. Денкер И.И. Технологии окраски изделий в машиностроении. М.: Высшая школа, 1984. - 287 с.

23. Слоистые кампозиционные покрытия в метизной промышленности. Том 2.1 Е.И. Кузнецов. М.В. Чукин, М.П. Барышникав, О.В. Семенова. -Магнитогорск: ПМП "МиниТип", 1997. 208 с.

24. Защитные покрытия и футеровки на основе термопластов / Ю.А. Мулин, Ю.Л. Паншин, Н.А. Бугоркова, Н.Е. Явзина Л.: Химия. 1984. - 176 с.

25. Карякина М.И., Попцов В.Е. Технология полимерных покрытий. М.: Химия, 1983. - 288 с.

26. Альшиц И.А., Мельгуй А.И. Полимерные покрытия металлических изделий. -М.: Химия, 1963.-65 с.28. Пат 54-13864.

27. Кузнецов Е.И. Совершенствование процессов производства проволоки с покрытиями на основе анализа параметров волочения. Автореф. Канд. Дис. Магнитогорск, МГМА, 1998.

28. Чукин М.В., Барышников М.П., Краснов A.B. Исследование процессов нанесения полимерных композиций из суспензий // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. Сб. Науч. Тр. / Под ред. Г.С Гуна. -Магнитогорск, МГМА, 1996. С 230-236.

29. Изготовление проволоки с платиновыми покрытиями. Заявка 2217450 Япония, МКИЛ C22F1/18/B21G 1/100/ Миямото Мотохару; Танака Кикиндзоку Коге № 1. 37053; опубл. 30.08.90.//Кокай тонсе кохо. Сер 3 (4). - 1990. - Вып. 58. - С. 295-296.

30. Трубицын A.B., Залялютдинов К.Г., Мухамедшина Н.М. Свойства проволоки с покрытием из цинковых сплавов //Теория и практика производства метизов: Межвуз. сб. наук, тр.- Свердловск: изд. УПИ, 1986. С. 34-40.

31. Манчаш Р.И., Стащук П.В. Математическая модель волочения трехслойной композиционной заготовки // Теория и практика производства метизов: Межвуз. сб. науч. тр. Свердловск: изд. УПИ, 1986. С. 52-56.

32. Паршин Б.С Основы системного совершенствования процессов и станов холодного волочения. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1986. - 192 с.

33. Новая технология производства многослойных коррозионностойких материалов / П.Ф. Засуха, A.C. Мьшъников, Б. К. Никифоров и др. // Черная металлургия. Бюл. науч.-техн. информации. 1981.- № 8, С. 44-45.

34. Мастеров В.А., Саксонов Ю.В. Серебро, сплавы и биметаллы на ее основе: справочник. М.: Металлургия, 1979. - 296 с.

35. Горловский М.Б., Меркачев В.Н., Справочник волочильщика проволоки. -М.: Металлургия, 1993. 336 с.

36. Иванова Э.А. Анализ поврежденности компонентов при волочении биметаллического прутка // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штамповочного производства. Тула: Тульский гос. техн. ун-т, 1993. -С. 73-77.

37. Аркулис Г.Э. Совместная пластическая деформация разных металлов. М.: Металлургия, 1964. - 271 с.

38. Пластическая деформация металлов и сплавов /А.Б.Архангельский, П.И.Полухин. Б.Б.Кнышев и др. //Сб. науч. тр. МИСиС М.: Металлургия, 1968. - Вып. 47. - С. 137-158.

39. Гуляев A.C., Л апис A.B. К расчету давления металла на валки при прокатке биметаллов. // Труды Гипроцветметобработка, вып. 54. 1978. С. 30-34.

40. Кучкин В.В., Рыбин Б.И. Аналитический метод определения начала совместной деформации при пакетной прокатке разнородных материалов // Вопросы судостроения. Металлургия. 1982. - № 34. С. 17- 19.

41. Афанасьев С. Д., Ковалев СИ., Корягин Н.И. Феноменологическая модель соединения разнородных металлов при совместной холодной прокатке // Известия АН СССР. Металлы. 1983. - №3 - С. 107-110.

42. Левитан СМ., Коновалов Б. Е., Парамошин А.П. Математическая модель формирования толщины раската при прокатке многослойного пакета // Изв. вузов. Черная металлургия. 1985. -№4. - С. 59-63.

43. Ершов A.A., Мыльников A.C., Сычева Т.А. Исследование условий деформирования разнородных материалов при совместной холодной прокатке // Механика композитных материалов. 1985. - 1. С. 104-108.

44. Аркулис Г.Э., Шапарен A.B. Расчет деформации схватывания слоев биметаллов при холодном плакировании // Теория и практикапроизводства метизов: Межвуз. сб. науч. тр. Свердловск: изд. УПИ, 1986. - С. 27-30.

45. Аркулис Г.Э., Стеблянко В.Л., Солдатенко А Ф. Закономерности развития совместной пластической деформации при сварке биметалла прокаткой // Теория и практика производства метизов: Межвуз. сб. науч. тр. Свердловск: изд. УПИ, 1986. - С. 40-48.

46. Санкин Ю.В., Блинов B.C., Куприн М.И. Математическая модель холодного плакирования с здтетом неравномерности послойных деформаций // Теория и практика производства метизов: Межвуз. сб. науч. тр. -Свердловск: изд. УПИ, 1988. С. 85-94.

47. Исследование переходной зоны сталемедных биметаллов / А.Б. Шапарев, А.Г. Кобелев В.П. Афанасьев, P.M. Ключников // Теория и практика производства метизов: Межвуз. Сб. Науч. тр. Свердловск: изд. УПИ, 1983.-С. 46-49.

48. Напряженно-деформированное состояние проволоки с покрытием при волочении / М.В.Чукин, М.П.Барыпшиков, А.В.Анцупов, А.А.Сабакарь // Моделирование и развитие технологических процессов ОМД: Сб. науч. тр. Вып. 2. Магнитогорск: МГТУ, 1999. С. 206.

49. Стеблянко В. Л., Литичевский Л. А. Математическое моделирование формоизменения профилей из структурно-неоднородных материалов // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. -Магнитогорск: МГМА, 1995. С. 48-56.

50. Стеблянко В.Л., Солдатенко А.Ф. Неравномерность деформации компонентов при сварке биметалла прокруткой в калибре // Теория и практика производства метизов: Межв. сб. науч. тр. Свердловск: изд. УПИ, 1990.-С. 11-19.

51. Кобелев А.Г., Потапов И.П., Кузнецов Е.В. Технология слоистых металлов: Учебное пособие. М.: Металлургия, 1991. - 248 с.

52. Чукин М.В. Анализ условий достижения совместной пластической деформации некомпактных сред бинарной системы // Обрабатка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. Сб. Науч. тр. Магнитогорск : МГМА 1995. С. 7-14.

53. Туктамышев И.Ш., Щеголев Г. А. Расчет длин трубки-насадки и калибрующего пояска волоки для волочения биметаллической проволоки // Теория и практика производства метизов: Межвуз. сб. шуч. тр. Свердловск: изд. УПИ, 1980. - С. 61-65.

54. Шумилин И.М. Условия устойчивого волочения биметаллической проволоки. // Сталь. 1977. - № 12. - С. 1124-1125.

55. Внеконтактная деформация при волочении биметаллической проволоки с мягким покрытием. Сообщение 1 / Ю.И. Коковихин, М.Г. Поляков, И.Ш. Туктамышев, А.А. Калъченко // Изв. вузов. Черная металлургия. -1975. № 10. - С. 80-83.

56. Кузнецов Е.И. Устойчивость оболочек на границах очага деформации при волочении двухкомпонентных систем // XVI Российская школа

57. ПО проблемам проектирования неоднородных конструкций: Тез. докл. научно-техн. конф. 24-26 июня 1997 г. Миасс, С. 47.

58. Кальченко A.A. Волочение биметаллической стальалюминиевой проволоки // Теория и практика производства метизов: Межвуз. сб. Науч. тр. -Свердловск: изд. УПИ , 1977. С.120-125.

59. Коковихин Ю.И., Кальченко А.А, Рузанов В.В. Вопросы устойчивого волочения стальалюминиевой проволоки // Теория и практика производства метизов: Межвуз. сб. науч. тр. Свердловск: изд. УПИ, 1988. - С.169-176.

60. Барышников М.П. Разработка технологии волочения проволоки с полимерным защитным покрытием: Дне. на соиск. уч. ст. к.т.н. / МГТУ -Магнитогорск, 1999. 154 с.

61. Семенов А.П., Савинский Ю.Э. Металлофторопластовые подшипники. М., Машиностроение. 1976. 217 с.

62. ЧзАин М.В., Барышников М.П., Анцупов A.B. Выбор критериев устойчивости покрытия при волочении проволоки с покрытием // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 1999. С. 178-183.

63. Третьяков A.B., Трофимов Г.К. Механические и технологические свойства металлов: Справочник: Металлургия, 1980.-296 с.

64. Чаплыгин Б.А. Создание прогрессивного производства вулканитового инструмента на основе моделирования процессов обработки давлением, новых способов и устройств: Дис. на соиск. Уч. ст. д.т.н. / УралНИИабраз. И шлиф. Челябинск, 1999. - 229с.

65. Крайнов В.И. Оборудование, методика, результаты пластометрических исследований: Учебное пособие. Челябинск: ЧГТУ, 1995. - 95 с.

66. АКТ приема-передачи научно-технической продукции

67. Данная технологическая документация является основой для получения опытно-промышленной партии сталь-медь-полимерной проволоки и последующего решения вопроса о внедрении предлагаемых технологий в производство на «СММ-Профит».

68. ПРОТОКОЛ испытаний опытной партии сталемедной проволоки с политетрафторэтиленовым покрытием для контактных сетей

69. Образцы из проволоки были подвергнуты ускоренным коррозионным испытаниям в камере погоды Г1 по ГОСТ 93 08-85. Результаты испытаний показали отсутствие видимых следов коррозии после 72 часовой выдержке при термоциклировании.

70. На основании полученных результатов принято решение на изготовление промьш1ленной партии сталь-медьполитетрафторэтиленовой проволоки в количестве 4-5 т. для оценки её потребительских свойств в реальных условиях эксплуатации.1. Заместитель директора

71. Начальник технического отдела